美国国家科学院建议NASA加速太空核推进技术发展

在美国国家航空航天局(NASA)的赞助下,美国国家科学院于2月12日发布《用于火星探索的太空核推进》的研究报告。报告称,若NASA希望在未来二十年内实现载人探索火星,那么就应该寻求“积极”研发太空核推进技术,这样可以极大减少前往火星的时间;不过在此之前,核热推进(NTP)和核电推进(NEP)都必须克服目前存在的重大障碍。

1. 火星探索任务需求

目前的火星探索计划是2033年进行无人火星任务,2039年执行载人火星探索任务。任务需求包括:前往火星217天、停留30天、返程403天,总耗时650天;航天员4人,2人在火星轨道,2人登陆火星。委员会主要评估了两种核推进系统:旨在产生至少900秒比冲的核热推进系统;至少具有1兆瓦电功率、质量功率比大大低于当前技术水平的核电推进系统;评估内容包括技术现状、潜在发展路径和主要风险等。喷气推进实验室行星科学主任、报告撰写委员会共同主席鲍比·布劳恩称,“太空核推进技术显示出巨大的潜力,可以促进人类对火星的探索;但NASA及其合作伙伴要在规定的时限内完成这项任务,就需要大幅加快技术成熟的步伐。”

2. 核热推进与核电推进

2.1 核热推进(NTP)

在这两种技术中,该报告对NTP更乐观。通过上世纪的Rover/NERVA等计划,NASA已经通过地面测试验证了NTP使用石墨基高浓缩铀燃料的可行性,部分反应堆还与NTP发动机硬件实现集成。但NASA并没有继续NTP研究,几乎仍停留在50年前的技术水平。目前NTP的发展面临着四大挑战,包括:推进剂在反应堆出口处加热到约2700K温度,并产生至少900秒的比冲;将液氢长时间存储在空间且损失最少;缺乏足够的地面测试设施;1分钟内使NTP达到工作温度。

NASA若采取更加积极的研发步骤,在2039年前是可以研发出可实用的NTP系统,用于载人火星探索任务。

2.2 核电推进(NEP)

自20世纪50年代末以来,美国已经开展了多项NEP计划,包括核辅助动力系统(SNAP)、SP-100太空动力反应堆、太空探索倡议以及“木星冰月轨道器”(JIMO)等,SNAP-10A核反应堆是美国发射的唯一一个反应堆,以0.5千瓦电的功率水平在轨运行43天;2003年,NASA曾启动JIMO计划,希望研发200千瓦电功率的NEP,但随后于2005年被中止。此外,NASA未在进行NEP技术的研发。

报告认为,与NTP相比,NEP技术更加不成熟,且无法单独使用,必须与化学推进协同工作,系统复杂性大大提高。若用于2039年的载人火星任务,NEP的功率应达到1兆瓦千瓦电,目前的技术差距过大;即使采用更加积极的步骤,2039年前NEP技术也无法用于火星探索任务,但NASA还应该继续加强NEP系统的技术开发,提高每个NEP子系统的运行功率,并开发与NEP系统兼容的化学推进系统。

3. 核电源与核推进优先权的选择

NASA一直在努力平衡核电源和核推进系统的发展。除了NTP和NEP以外,NASA还一直在研究用于月球表面的裂变反应堆电源系统如Kilopower计划,该系统将在月球或火星表面提供动力,输出功率为7至10千瓦。由于在“阿尔忒弥斯”计划中需要核反应堆电源,而不需要核推进系统,因此NASA一直试图推进Kilopower的相关工作。但国会并没有忽视NTP系统的发展,在《2021财年NASA拨款法》中,为11亿美元的太空技术资金中划出1.1亿美元用于NTP开发,其中8000万美元用于“设计可进行飞行演示的试验系统”,但NASA尚未宣布NTP系统的飞行演示计划。

在2021年1月27日举行的NASA顾问委员会技术委员会会议上,委员曾建议NASA将表面裂变电源的优先级高于NTP,因为更加适用于“阿尔忒弥斯”计划。NASA负责太空技术的副局长吉姆·鲁特表示完全同意国家科学院与国会的建议,表示由于资金的缘故,NASA正在积极进行NTP技术开发的招标,并将地面核电源的计划推迟到本财年晚些时候进行,“NASA和国防部对于NTP都有很高的兴趣,这是一项非常好的技术。”

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