NASA 攜手 DARPA！2027 年太空測試核熱推進引擎火箭，縮短一半飛往火星的時間

美國太空總署計劃在未來十年內派遣載人任務前往火星——但往返紅色星球這段長達1.4億英里（2.25億公里）的旅程可能需要數月到數年的時間。

這相對較長的運輸時間是因為使用了傳統的化學火箭燃料。現在該機構正在開發的一種替代技術稱為稱為核熱推進 (NTP)，它使用核分裂，未來有望將火箭的往返時間縮短一半。

核分裂是指利用中子分裂原子時釋放的巨大能量。這種反應被稱為裂變反應。裂變技術已廣泛應用於發電和核動力潛艇，而將其應用於驅動或為火箭提供動力，未來有望為 NASA 提供一種比化學驅動火箭更快、更強大的替代方案。

NASA 和美國國防高等研究計劃署 (DARPA) 正在聯合開發 NTP 技術。他們計劃在 2027 年於太空部署並展示原型系統的能力，這可能使其成為美國首批建造和運營的此類系統之一。

核熱推進未來也可能為機動太空平台提供動力，以保護美國在地球軌道內外的衛星。但這項技術仍在發展中。

核能與化學推進的比較

傳統的化學推進系統利用涉及輕質推進劑（如氫）和氧化劑的化學反應。當兩者混合在一起時，它們會點燃，導致推進劑以非常快的速度從噴嘴噴出，進而推動火箭。

這些系統不需要任何點火系統，因此很可靠。但這些火箭必須攜帶氧氣進入太空，這會增加重量。與化學推進系統不同，核熱推進系統依賴核分裂反應來加熱推進劑，然後從噴嘴排出以產生驅動力或推力。

在許多裂變反應中，研究人員將中子發射到較輕的鈾同位素鈾-235 上。鈾吸收中子，產生鈾-236。然後鈾-236分裂成兩個碎片（裂變產物），反應會釋放一些粒子。

目前全球有超過 400 座核電廠使用核裂變技術。這些運轉中的核電廠大多數是輕水反應爐。這些裂變反應爐使用水來減緩中子的速度，並吸收和傳遞熱量。水可以直接在堆芯或蒸汽發生器中產生蒸汽，進而驅動渦輪機發電。

核熱推進系統的運作方式類似，但它們使用的是含有更多鈾-235 的不同核燃料。它們的運作溫度也高得多，這使得它們非常強大和緊湊。核熱推進系統的功率密度大約是傳統輕水反應爐的 10 倍。

核能推進可能在幾個方面比化學推進更具優勢：

幾十年來，美國政府一直在資助核熱推進技術的發展。在 1955 年至 1973 年間，NASA、通用電氣和阿貢國家實驗室的計劃生產並地面測試了 20 台核熱推進引擎。

但這些 1973 年以前的設計依賴於高濃縮鈾燃料。由於其擴散危險性，或者與核材料和技術擴散相關的危險性，這種燃料已不再使用。

由美國能源部和國家核安全局發起的全球減少威脅倡議 (GTRI) 旨在將許多使用高濃縮鈾燃料的研究反應爐轉換為高含量低濃縮鈾 (HALEU) 燃料。

與高濃縮鈾燃料相比，高含量低濃縮鈾燃料中能夠進行裂變反應的材料較少。因此，火箭需要裝載更多的 HALEU 燃料，這使得引擎更重。為了解決這個問題，研究人員正在研究能夠在這些反應爐中更有效地利用燃料的特殊材料。

NASA 和 DARPA 的敏捷地月行動示範火箭 (DRACO) 計劃打算在其核熱推進引擎中使用這種高含量低濃縮鈾燃料。該計劃預計在 2027 年發射其火箭。

作為 DRACO 計劃的一部分，航太公司洛克希德·馬丁公司已與 BWX Technologies 合作開發反應爐和燃料設計。

這些團隊正在開發的核熱推進引擎需要符合特定的性能和安全標準。它們需要擁有一個能夠在任務期間運作並執行快速前往火星所需的必要機動的核心。

理想情況下，引擎應該能夠產生高比衝，同時滿足高推力和低引擎品質的要求。

在工程師能夠設計出滿足所有這些標準的引擎之前，他們需要從模型和模擬開始。這些模型幫助研究人員了解引擎如何處理啟動和關閉。這些操作需要快速、大規模的溫度和壓力變化。

核熱推進引擎將與所有現有的分裂動力系統不同，因此工程師將需要建立適用於這種新引擎的軟體工具。

研究團隊使用模型設計和分析核熱推進反應堆，對這些複雜的反應堆系統進行建模，以了解溫度變化等因素如何影響反應堆和火箭的安全性。但是模擬這些效果可能需要大量昂貴的計算能力。

研究人員也在努力開發新的計算工具，這些工具可以在不使用太多計算能力的情況下，模擬這些反應堆在啟動和運行時的行為。