人類必須放棄化學能火箭﹕核聚變為終極目標

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據國外媒體報道﹐美國宇航局科學任務理事會副主任約翰•格倫斯菲爾德認為人類必須研製出核聚變動力的火箭﹐傳統的化學能火箭不適合進行星際旅行﹐即便是在太陽系之內的行星際飛行﹐核動力火箭將提供更快的速度和強大的能量源﹐也可以解決登陸其他行星時所遇到的能源問題。核聚變火箭將大大縮短深空飛行的時間﹐為人類充分探索和利用太陽系開闢道路﹐美國宇航局目前正在研製核動力火箭動力系統﹐此類發動機將是下一個重大的科技飛躍﹐可以想象﹐如果我們能在一兩個月之內前往土星﹐那將是多麼美妙的情景。

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核動力技術可為星際航行帶來強大的能量源和續航力﹐如果進行火星之旅﹐可減少宇航員暴露在宇宙射線下的風險﹐人類如果需要進入深空﹐就必然要放棄傳統的化學能火箭


傳統的火箭發動機可分為固態和液體發動機﹐固體火箭發動機的燃料為固態﹐其特點為維護簡單﹐結構較輕﹐適合於質量較小的推力要求﹐目前用於中小型火箭。液體火箭發動機的燃料以液態為主﹐比如航天飛機使用液態氫和液態氧作為動力﹐可快速燃料釋放強大能量。適用於大型火箭﹐比沖明顯優於固態火箭發動機﹐但液體火箭發動機結構較為複雜﹐加注燃料和維護更換都具有一定危險性。6月11日發射升空的長征2F型火箭是典型的液態燃料火箭﹐四個捆綁式助推器､芯一級和芯二級都採用了液體火箭發動機。

　　有些運載火箭則使用固態和液態發動機作為混合動力﹐比如阿麗亞娜五型ES火箭﹐就使用了固態助推火箭﹐航天飛機也使用了固體火箭助推器。美國宇航局的專家認為﹐傳統的化學能火箭可以讓人類抵達遙遠的太陽邊緣﹐但是需要花費更多的時間﹐比如往返火星的探索之旅﹐美國宇航局計劃表中提到的時間為2030年代中期﹐需要花費大約500天的時間﹐如果我們能加快飛行速度﹐並配合有效的減速發動機﹐就可以減少宇航員在空間飛行中受到的輻射劑量﹐較短的旅程也可以節省食物和水。

　　美國宇航局和世界各地的研究機構正在研發先進的宇宙飛船推進技術﹐其中包括只在科幻小說中才能耳聞的“曲速推進”發動機﹐物質和反物質動力系統等﹐雖然這些動力系統對現有的航天科技而言顯得遙不可及﹐但是在這個探索過程中可能會有其他重大的發現。除了核動力發動機外﹐太陽帆技術似乎是目前最容易實現的航天動力﹐目前美國宇航局和日本空間機構已經測試了空間太陽帆技術﹐但空間太陽帆為動力的飛船可能只適合超遠距離的空間飛行﹐其加速過程較為緩慢。

　　科學家認為核動力火箭是未來一段時間可實現新型宇航動力﹐而核聚變技術用於宇宙飛船可能還需要很長的路要走﹐目前還沒有成熟的可控核聚變反應堆﹐使用核裂變技術研發動力系統或許也是一個途徑。美國宇航局先進概念研究所提出了幾種核聚變發動機的方案﹐根據華盛頓大學的科學家計算﹐使用核聚變技術可大大縮短火星之旅的時間﹐我們可以在一個月之內將宇航員送上火星﹐比500天的時間還少很多。

　　儘管過去幾十年內科學家已經投入了大量資金研發可控核聚變技術﹐但目前依然沒有製造出實用化的聚變堆﹐更不用說短期內作為宇宙飛船的動力系統﹐格倫斯菲爾德認為核聚變技術是未來三十年內需要有所突破的宇航動力﹐人類要想進入更遙遠的宇宙深空﹐動力系統需要進行革命性地突破﹐地球上的可控核聚變研究應該加快腳步﹐然後開始測試空間核聚變動力。

　　在第36屆推進器大會上﹐美國宇航局就提出了核動力火箭技術﹐只需一次發射就可以完成太陽系內側行星的探索。1946年﹐美國宇航局與美國空軍聯合開展了NERVA 計劃以及Rover 計劃﹐試圖打造出核動力推進技術﹐NERVA 發動機包括反應器､渦輪泵以及推進劑存儲設備等﹔蘇聯研究人員在上個世紀50年代計劃在飛行器上安裝四臺核動力渦輪發動機﹐這些核動力技術都是基於核裂變技術﹐在這方面我們有著較為成熟的技術。

　　常見的核裂變技術發動機包括核脈衝火箭､核電火箭､核熱火箭以及核衝壓火箭等﹐以核熱火箭為例﹐其反應堆結構比陸基核電站的規模要小很多﹐鈾-235的純度要求更高﹐達到90%以上﹐在高比衝要求下﹐發動機核心溫度將達到3000K左右﹐需要耐高溫性能極佳的材料。核動力技術用於太空環境時﹐也會面臨核輻射的危險﹐如果克服這些困難﹐那麼在核聚變發動機無法實現的前提下﹐核裂變發動機技術也能為太陽系內的探索服務﹐甚至可進行無人飛船恆星際之旅﹐可帶來強大續航力﹐這是傳統化學能發動機所不能比擬的。