去火星的最优选，核动力火箭赢在起跑线

　　之昂

　　“普快”与“高铁”的差别

　　《流浪星球》中最令人惊叹的想象，无疑是地球的远征，而核动力火箭发动机正是推动地球实现星际流浪的主力。为什么是核动力火箭发动机，而不是现有的成熟技术呢？这当然是因为其无与伦比的性能和效率。

　　这里要先提及一个物理量“比冲”或“比推力”，常用秒（s）作为单位，用来表示一个推进系统的燃烧效率，即火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量。举个例子，一台液态火箭发动机的比冲为430s，那么这台发动机每使用1 千克燃料所输出的1 牛顿的推力，可以持续燃烧430 秒。因此，比冲数值越高，发动机的效率就越高，相同质量燃料就能产生更多的动能。

　　无论是我们之前提到过的以甲烷、液氢等液体燃料作为推进剂，还是用传统的固态物质（燃料和氧化剂）作为推进剂的发动机，它们都属于化学火箭发动机，是将化学能转化为热能，再经喷管膨胀加速，热能才转化为动能。这些化学火箭发动机的比冲都比较低，在500 秒左右就算是接近极限。

　　商业火箭比较看好的液氧甲烷，理论比冲最高也只有约390 秒。SpaceX 之所以选择液氧甲烷作为“猛禽”发动机的推进剂，主要是因为马斯克常常提到的“第一性原理”：既然最终目标是火星殖民，肯定要从火星上就地取材找推进剂，首选氧气和甲烷。但是让化学火箭发动机来做到深空探测、太空运输或者星际穿梭这类长时间、长距离的飞行，属实有点勉强。

　　核动力火箭发动机或许是最适合的。理论及实践证明，同样的火箭，如果采用核动力发动机，其比冲最少都可以达到1000 秒，也就是比用化学火箭发动机的速度能快个两三倍。按照NASA 的计算， 原来从地球去5500 万公里外的火星需要7 个月的时间，换上核动力发动机45 天差不多就到了。

　　深究核热火箭

　　核动力火箭的专业名称其实是“ 核热火箭（nuclear thermalrocket）”，指的是利用核裂变或核聚变来产生高能量推进剂，从而提供推进力以推动飞行器。其实它的工作原理与液体火箭有类似之处，即用核反应堆来替代化学燃烧室；但是，由于核反应堆的启动时间很长，不像化学火箭几毫秒就能点燃，所以具体工作步骤还是有很大差异。

　　首先，发动机要先有燃料反应，才能有能量来源。根据反应类型不同，又分为核裂变和核聚变两类，简单解释一下：在核裂变反应中，重原子核裂变成轻原子核，并释放出大量能量；在核聚变反应中，轻原子核结合成重原子核，同样释放出巨大能量。

　　接着， 这股巨大的能量会直接加热从推进剂贮箱中流出的“ 工质” —— 通常是氢或氦—— 使其膨胀，在高温高压下以极高速度从喷管喷出，形成推力。排出的推进剂会将动能转化为动力，推着整个火箭系统快速向前。

　　这也能看出来核动力火箭发动机和化学火箭发动机的差异：前者直接依靠核反应产生热能，而不是通过化学反应。这意味着，核动力火箭只需要一种工质，而化学火箭则同时需要燃料和氧化剂两种工质。

　　可能还有读者对“工质”这个概念比较陌生，简单来说，工质是指用来传递能量的介质或物质。比如在热力循环中，工质会吸收热量，膨胀产生动力，然后释放掉余热，因此我们才会说工质在系统能量转换和传递过程中都扮演着重要角色，它能从核裂变发动机的反应堆中穿过，带着更高的温度，实现更高的效率。

　　但是，工质始终是不参与核动力火箭反应过程的，如果我们不要工质，直接用充分反应的核裂变乃至核聚变产生的热能作为推力，那必然会让发动机的效率再提升几个数量级，达到科幻小说中的水平。但难点在于，我们很难找到一种材料可以承受几千摄氏度的核裂变高温，更别说近亿摄氏度的核聚变温度，更何况还要控制好反应堆、不对地球造成麻烦。

　　此外，前面也提到过核动力火箭反应的启动时间比较长，研究生产制造的成本又比较高，所以现在核动力火箭的一二级仍然使用的是常规化学燃料，把火箭送到800 千米以上的绕地轨道；之后，使用核动力的第三级火箭才开始工作，推动飞船冲出地球引力范围，飞向深空。

　　这一次终能上天

　　长期以来，限制核动力火箭发展的因素，一是各国的投资力度，另一个则是出于安全的考量。

　　上一个研究核动力火箭的高峰还是在20 世纪五六十年代，彼时正值美国与苏联太空竞赛的高潮。光是在1955年到1968 年的14 年间，美国政府就投资了15 亿美元，并在内华达州核试验场进行了多次核动力火箭测试——只是在地面测试，并没有真正上天。可惜，一切探索深空的项目都随着1972 年阿波罗计划成功之后戛然而止。

　　直到近年，第二波太空探索热潮终于到来。去年1 月，NASA 和美国国防高级研究计划局 (DARPA）宣布将联合开展“敏捷地月空间验证火箭”(DRACO) 计划， 并计划在2027 年搭载航天飞行器X-NTRV，进行世界首次核动力火箭的在轨飞行；中国航天科技集团同样计划在2040 年前后，实现核动力空间穿梭机的重大突破。

　　那么安全性该如何保证，毕竟这是一个飞在人类头顶的核反应堆。现在除了做小点，好像没有一个完美的解决方法，或许再过几年，核反应发动机可以做成多个功能模块，由传统火箭运送上天，在近地轨道组装，再将核燃料和工质运输上去，直接在太空完成核动力火箭发动机系统建造，避免造成严重的污染。