NASA宣布了“首个核动力星际航天器”。旅行者号探测器怎么样？

本周，NASA局长贾里德·艾萨克曼宣布，该机构将为计划于2028年发射火星做准备，开发“首个核动力星际航天器”。

这项名为“空间反应堆-1”（SR1）自由号的任务雄心远超其拟定的火星任务。如果成功，它将是60多年核推进实验和失败项目的结晶，并有可能改变星际太空旅行。

该航天器将配备核电推进系统，NASA称其“为深空高效质量运输提供了非凡的能力”。那么，这种航天器发动机到底是什么？它与以往以不同方式利用核能的任务有何不同？

核动力航天器的想法让人联想到20世纪50年代开发的猎户座计划，该项目将使航天器通过背后一系列快速核爆炸的冲击波推动。另一项核动力设计是代达罗斯计划，这是1970年代英国星际学会的一项设计研究，提出使用核聚变发动机。

NASA的SR-1自由概念将利用核裂变反应堆，类似于地球上城市核电站的缩小版，产生能够驱动离子发动机的电力。

然而，NASA任务几十年来一直在利用另一种形式的核能，即放射性同位素热电发生器（RTG）。RTG和驱动SR-1 Freedom的核电推进有什么区别？

由核衰变驱动

放射性同位素热电发生器利用钚-238的放射性衰变释放的热量发电，钚-238的半衰期近88年（平均而言，其一半量在此期间经历了放射性衰变），使它能够在必要时为航天器供电数十年。

NASA在太空中使用核能的时间几乎与太空时代本身相当。20世纪60年代，该机构资助了核辅助动力系统（SNAP）项目。顾名思义，SNAP涉及在太空任务中使用核衍生能源。据NASA称，首个飞行的是1961年的SNAP-3，搭载了RTG。

SNAP-3上的RTG携带96克钚-238，产生可怜的2.5瓦电力。然而，自20世纪60年代初以来，情况已经取得了长足进步。此后，RTG执行了多项星际任务，包括先锋10号和11号以及旅行者1号和2号飞船前往外太阳系，新视野号前往冥王星及更远的航行，维京1号和2号火星着陆器，以及探测车好奇号和坚持号。

事实上，RTG的需求在好奇号和毅力号的前身——火星探测车“精神号”和“机会号”中得到了充分体现，这些飞机完全依靠太阳能驱动，但随着火星尘埃覆盖太阳能电池板，功率逐渐下降。

核电推进

另一个起源于20世纪60年代的进步是电推进，或许更广为人知的名字是离子发动机。其原理是电离属于气态推进剂（如氙或氪）的原子，然后通过喷嘴加速这些离子释放，从而产生推力。这种加速可以通过两种方式实现。其中一种是施加电磁场产生所谓的霍尔效应，加速离子的传播。

另一种方式是格栅离子推进器，正电离子被注入一个“放电室”，在那里它们向负电栅格移动，并通过电压加速通过栅极的孔洞，再次通过喷嘴喷射，离子发动机发出柔和的蓝色光芒。

在太阳系内部的太空任务中，离子可以通过太阳能电池板产生的电力电离，因此我们称此类技术为太阳能电推进（SEP）。然而你可能会惊讶地发现，SEP通常产生的推力不到一磅。

这与空间发射系统火箭发射阿尔忒弥斯2号任务朝月球发射时将提供的880万磅推力相比，显得微不足道。然而，SEP极小的推力是累积的，会随着时间积累，使航天器达到约20万英里（32万公里）或更高的速度，远远超过同等化学火箭的燃料。

自20世纪60年代以来，SEP一直用于地球轨道任务。SEP的首个星际任务是1998年的NASA深空1号，此后它被欧洲航天局的SMART-1月球任务、NASA的Dawn号飞船访问小行星带的谷神星和维斯塔，以及2022年撞击双小行星Didymos和Dimorphos的DART任务等任务充分利用。

用核能替代太阳能在深空有两个优势。第一，它使航天任务更容易在远离太阳的外太阳系部署离子发动机。其次，它产生的功率比SEP高出一个数量级到两个数量级，从而增加了其可携带的推力和质量。

RTG本身无法完成此类工作，这也是核电推进（NEP）需要裂变反应堆的原因。反应堆产生的热能转化为电能，这使推进气体电离（电荷）用于离子发动机。

SR-1 Freedom的20千瓦裂变反应堆，内含低浓缩铀和二氧化铀，将位于长臂末端，确保其产生的辐射与航天器其他部分保持距离。

在SEP中，航天器总面积中有很大一部分用于太阳能电池板。在NEP中，太阳能电池板被换成热交换片，以辐射反应堆多余的热量，防止航天器部件熔化。

值得注意的是，核发动机还有第三种变体，即核热推进，裂变反应堆产生的能量加热推进剂，使其膨胀并通过喷嘴爆裂，产生类似传统火箭的推力。

核危害

安全当然是将核材料送入太空时的首要考虑，人们常常害怕“核”这个词。

1997年，NASA与欧洲航天局联合发射卡西尼-惠更斯土星任务引发争议。它搭载了三枚RTG，两探针之间装有73磅（33公斤）钚-238。

任务的环境影响研究显示，发射期间发生事故的概率为1/1,400，穿越地球大气层时的概率为1/476，这不仅可能将放射性物质扩散到佛罗里达（卡西尼-惠更斯发射地），还可能根据事故发生的高度传播到全球。这引发了部分人士的严重担忧，科学普及者加来道夫是抗议的领导者之一，要求取消发射，但卡西尼-惠更斯的发射顺利进行，后续所有RTG任务也均如此。

当然，我们会谨慎确保在发生事故时，尽可能保护放射性物质。通过将放射性物质包装在极其坚固的石墨块内，并由一层铱加固，并用气壳包围，以保护RTG在大气层再入时的安全，从而最大限度地降低风险。

虽然这不能提供绝对保证，但可以想象任何发射入太空的裂变反应堆都需要类似的安全协议。事实上，在美国和国际上，关于将核材料送入太空有非常严格的监管限制。

还有一个问题是核裂变是一个高度有毒的过程。它涉及原子分裂，产生放射性废物和能量。通过在太空中使用裂变反应堆，我们实际上是在向太阳系传递小包有毒废料，未来如果这些有毒物质在火星或木卫二坠毁，可能会对遇到这些物质的宇航员或可能存在的生物圈造成危险。

核电推进的历史

这并不是NASA第一次尝试使用核电推进。1965年，该机构发射了SNAP-10A任务，这是迄今为止唯一一次成功部署核电推进。这也是核反应堆首次被发射入太空。据美国能源部称，该反应堆运行了3天后出现故障并停机。

然而，自SNAP-10A以来的61年间，没有再有成功展示核电推进的任务，但尝试过很多次。NASA最近的项目是DRACO——敏捷月球操作演示火箭，与DARPA、洛克希德·马丁和BWX科技合作。

遗憾的是，由于技术和监管上的挑战，DRACO项目于2025年1月被暂停，随后在当年夏天被排除在拟议的2026年联邦预算之外时，项目被彻底取消。DARPA声称，鉴于普通发射成本正在下降，项目成本已不再匹配收益。

然而，如今NASA似乎改变了态度，重新关注核电推进。毫无疑问，如果我们要发射更常规的星际任务，并向火星或其他地方运送宇航员和大型有效载荷，使用核能至关重要。

然而，时间显然不利于NASA按计划于2028年发射该任务，经过六十多年的努力，NASA是否能最终让这项技术发挥作用，仍有待观察。如果能实现，那么电动推进发动机带来的高效和动力提升，可能改变太空旅行，无论是载宇航员前往火星，还是推动科学任务前往外太阳系。