#核火箭可以将前往火星的时间缩短一半 但是设计为其提供动力的反应堆并不容易#NASA计划在未来十年内向火星发射载人任务，但前往这颗红色星球1.4 亿英里(2.25 亿公里)的旅程可能需要数月至数年的往返时间。

有一天，核动力火箭可以实现更快的太空旅行。图片来源：美国宇航局

　　这种相对较长的运输时间是使用传统化学火箭燃料的结果。该机构目前开发的化学推进火箭的替代技术称为核热推进，它利用核裂变，有一天可以为火箭提供动力，使火箭的飞行时间缩短一半。

　　核裂变涉及收集原子被中子分裂时释放的大量能量。这种反应称为裂变反应。裂变技术在发电和核动力潜艇方面已得到广泛应用，其在火箭驱动或动力方面的应用有朝一日可能为美国宇航局提供一种比化学驱动火箭更快、更强大的替代方案。

　　NASA 和国防高级研究计划局正在联合开发 NTP 技术。他们计划于 2027 年在太空部署并展示原型系统的功能，这可能使其成为美国首批建造和运营的同类系统之一

　　有一天，核热推进还可以为机动太空平台提供动力，从而保护地球轨道内外的美国卫星。但该技术仍在开发中。

　　我是佐治亚理工学院的核工程副教授，他的研究小组构建模型和模拟来改进和优化核热推进系统的设计。我的希望和热情是协助设计核热推进发动机，以执行载人火星任务。

　　核推进与化学推进

　　传统的化学推进系统使用涉及轻质推进剂(例如氢气)和氧化剂的化学反应。当两者混合在一起时，两者会点燃，导致推进剂很快从喷嘴中排出以推动火箭。

　　这些系统不需要任何类型的点火系统，因此非常可靠。但这些火箭必须携带氧气进入太空，这会给它们带来压力。与化学推进系统不同，核热推进系统依靠核裂变反应来加热推进剂，然后从喷嘴中喷出以产生驱动力或推力。

　　在许多裂变反应中，研究人员将中子发射到较轻的铀同位素uranium-235 上。铀吸收中子，产生铀236。然后，铀 236 分裂成两个碎片——裂变产物——反应会释放出一些各种各样的粒子。

　　目前，全球有 400 多个正在运行的核反应堆使用核裂变技术。这些运行中的核反应堆大多数是轻水反应堆。这些裂变反应堆利用水来减慢中子速度并吸收和传递热量。水可以直接在核心或蒸汽发生器中产生蒸汽，驱动涡轮机发电。

　　核热推进系统的运行方式类似，但它们使用含有更多铀 235 的不同核燃料。它们还可以在更高的温度下工作，这使得它们极其强大且紧凑。核热推进系统的功率密度比传统轻水堆高出约10倍。

　　由于几个原因，核推进力可能比化学推进力更胜一筹。

　　核推进会非常快地从发动机的喷嘴中排出推进剂，产生高推力。这种高推力使火箭加速得更快。

　　这些系统还具有高比冲。比冲量衡量推进剂产生推力的效率。核热推进系统的比冲大约是化学火箭的两倍，这意味着它们可以将飞行时间缩短两倍。

　　核热推进历史

　　几十年来，美国政府一直资助核热推进技术的发展。 1955 年至 1973 年间，美国宇航局、通用电气和阿贡国家实验室的项目生产了 20 台核热推进发动机并进行了地面测试。

　　但这些 1973 年之前的设计依赖于高浓缩铀燃料。由于其扩散危险或与核材料和技术的扩散有关的危险，这种燃料已不再使用。

　　由美国能源部和国家核安全局发起的全球威胁减少计划旨在将许多使用高浓缩铀燃料的研究堆转换为高含量、低浓缩铀或 HALEU 燃料。

　　与高浓缩铀燃料相比，高含量、低浓缩铀燃料具有较少的能够进行裂变反应的材料。因此，火箭需要装载更多的 HALEU 燃料，这使得发动机更重。为了解决这个问题，研究人员正在研究能够在这些反应堆中更有效地利用燃料的特殊材料。

　　NASA 和 DARPA 的敏捷地月操作示范火箭(DRACO)计划打算在其核热推进发动机中使用这种高含量、低浓缩铀燃料。该计划计划于 2027 年发射火箭。

　　作为 DRACO 计划的一部分，航空航天公司洛克希德·马丁公司与 BWX Technologies 合作开发反应堆和燃料设计。

　　这些团体正在开发的核热推进发动机需要符合特定的性能和安全标准。他们需要有一个能够在任务期间运行并执行快速火星之旅所需的机动的核心。

　　理想情况下，发动机应该能够产生高比冲，同时满足高推力和低发动机质量的要求。

　　正在进行的研究

　　在工程师设计出满足所有这些标准的发动机之前，他们需要从模型和模拟开始。这些模型可以帮助研究人员(例如我小组中的研究人员)了解发动机如何处理启动和关闭。这些操作需要快速、大量的温度和压力变化。

　　核热推进发动机将不同于所有现有的裂变动力系统，因此工程师将需要构建与这种新发动机配合使用的软件工具。

　　我的小组使用模型设计和分析核热推进反应堆。我们对这些复杂的反应堆系统进行​​建模，以了解温度变化等因素如何影响反应堆和火箭的安全。但模拟这些效应可能需要大量昂贵的计算能力。

　　我们一直致力于开发新的计算工具，以模拟这些反应堆在启动和运行时的行为，而无需使用太多的计算能力。

　　我和我的同事希望这项研究有一天能够帮助开发能够自主控制火箭的模型。