要飞得更远，人类还需发展核动力飞船

要飞得更远，人类还需要核动力飞船

近期，中国的“天问一号”即将发射，这标志着中国探测火星的大幕正式拉开。如今美国、欧洲、俄罗斯、印度都对火星产生了浓厚的兴趣。在很多科学预言中，当人类顺利在火星殖民后，又会开始尝试移居太阳系其余星球，例如土卫六、木卫二等星球，直到人类将整个太阳系都改造成为文明居住地之后，我们就会开始将手伸到太阳系外。

不过，虽然愿景十分美好，但回到现实，目前人类的行星探索还都处在卫星和探测器阶段，而要进行远距离的载人航天飞行，我们还需要更快的飞船和火箭。

因为以目前人类掌握的技术，飞到月球需要三天，到达火星需要6-8个月，旅行者2号（Voyager-2）花了漫长的12年时间才到达海王星。这么长时间，机器可能没有感觉，但对人确实是极大的考验。

因为宇航员暴露在非常高的宇宙辐射环境中，漫长的火星旅行，可能导致严重的健康问题，如癌症和不育症。辐射防护能起到一定的保护作用，但是它非常沉重，并且任务越长，需要的防护就越多。减少辐射暴露更好的方法就是更快地到达目的地。

太空旅行的第一步是用火箭将飞船发射进入轨道。一旦飞船到达太空，为了逃脱地球的引力前往深空中的目的地，飞船需要额外的加速度。如果宇航员想要探索比月球或者火星更远的地方，他们将需要以更快的加速度。

飞船要逃脱了地球的引力，在考虑推进系统时，除了推力，还要考虑能量密度，也就是说，利用一定质量的燃料，可以释放多少能量，让系统对飞船进行加速。

要获得持续高效的加速，核动力火箭（nuclearpowered rocket）就是一种选择。

如今，最常用的推进系统是化学推进系统（chemicalpropulsionsystem），即常规燃料火箭推进系统，以及太阳能电推进系统（solar-poweredelectric propulsion system）。

化学推进系统能提供很大的推力，但火箭燃料的能量密度并不高。比如美国阿波罗计划的土星5号运载火箭（Saturn V），在升空时产生了3500万牛顿的力，但自身需要运载约36万升的燃料。

电推进系统则是利用太阳能电池板产生的电能来产生推力，最常见的方法是使用电场对离子进行加速，例如在霍尔推力器（Hall thruster）中的运用。电推进系统通常用于给卫星供电，其质量效率比化学推进系统高出5倍以上，但相对而言，电推进系统产生的推力却要小得多，大约只有3牛顿。换种容易理解的说法，如果我们驾驶一辆汽车，需要大约两个半小时，才能把汽车的速度从0加速到97公里/小时。另外，电推进系统的能量来源是太阳，理论上取之不尽，用之不竭，但实际上，航天器距离太阳越远，太阳能的作用就越微小。

而核动力火箭之所以拥有前途，原因之一就在于它们提供的能量密度之大令人难以置信。核反应堆中使用的是铀（U）燃料，产生的能量密度比典型的化学火箭推进剂肼（N2H4）要高400万倍。要知道，在太空中，减轻航天器自身的质量太重要了，与携带成千上万升的化学燃料相比，人类将少量核燃料送入太空要容易得多。

目前，工程师们已经为太空旅行设计出了两种主要类型的核动力系统。

第一种叫做核热推进（nuclear thermalpropulsion），这种系统推力强大且效率适中。核热推进使用的是小型核裂变反应堆，类似于在核潜艇中使用的核裂变反应堆，常采用氢气作为工质（working substance）兼冷却剂，工质流经反应堆后被加热，再经收缩扩张喷管高速喷出，进而提供推力。NASA的工程师估计，相比化学动力驱动，由核热推进技术驱动的火星飞行任务在时长上能缩短一半时间。

核热推进系统的质量效率是化学推进系统的两倍以上，这意味着，在使用相同质量的推进剂，核热推进产生的推力是化学推进的两倍多，可提供的推力能达到10万牛顿，也就是足以让汽车在大约四分之一秒的时间内从0加速到97千米/小时的速度。

第二种核动力系统名为核电推进（nuclearelectricpropulsion），工作原理是利用大功率核裂变反应堆发电，将核能转换为电能，为霍尔推进器这样的电推进器提供动力。核电推进将具有非常高的质量效率，大约是核热推进系统的3倍。由于核反应堆可以产生极高的能量，因此可以同时为多个独立的电推进器供电以产生很大的推力。

核电推进系统不受太阳能的限制、具有很高的质量效率，并且可以提供相对较大的推力，因此是执行远程任务的最佳选择。尽管核电火箭在理论上拥有如此优越的长处，但目前仍有许多技术问题没有解决。

我们知道，目前人类发射的飞船都是以化学燃料作为推动力的，不仅发射成本高，且持续力很低。此外，每次发射都需要利用行星的引力去加速，一旦数据计算发生分毫的错误，都会导致任务发射失败。而核动力飞船具有许多比较优势，

据说早在上世纪60年代，当美国和前苏联如火如荼开展“太空竞赛”时，核动力飞船的研发就被提上日程了。不过，后来因为需要解决的问题太多，美苏最终都放弃了。比如1970年代，美国就颁布了一系列法律，要求所有的核太空项目都要经过多个政府机构的逐案审查和批准，并且还要获得总统的明确批准。除此之外，核动力系统研究见效慢，资金投入大，当时的大环境阻碍了用于太空探索核动力的进一步发展。

当然，目前各国行星探索兴趣增加，这项技术又被拾了起来。特朗普就在2019年8月发布的总统备忘录（presidentialmemorandum）中，同意，在保证核动力发射安全的前提下，可以跳过各个机构的审批程序。随后，NASA在2019年的财政预算中还获得了1亿美元，用于发展核热推进系统。

在搁置了60年之后，核动力推进器很可能将在十年之内飞向太空。

对一些支持者而言，这是激动人心的进展，甚至将开启人类太空探索的新纪元。