自從馬斯克的SpaceX接連不斷取得成功后，全世界范圍內(nèi)的航天創(chuàng)業(yè)者們的熱情紛紛被調(diào)動起來了。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅僅在中國就已經(jīng)有超過20家的民營商業(yè)火箭公司注冊成立，涉及商業(yè)航天的企業(yè)更是早已超過百家。

不過，在慶幸有更多人紛紛抬頭關(guān)注星空的同時，我們也需要認(rèn)識到，以商業(yè)目的為導(dǎo)向的航天創(chuàng)業(yè)潮給整個航天工業(yè)帶來更多是全產(chǎn)業(yè)鏈增效減價，至于能否帶來整個航天技術(shù)范式的變革還需要留個問號。

的確，在如今的航天工業(yè)領(lǐng)域，模塊化、批量化、快速迭代以及大量使用商業(yè)化組件等理念已經(jīng)成為共識。但就在火箭動力選擇這一觸及航天工業(yè)最根本的問題上，商業(yè)航天帶來的也僅僅是使過去未曾受到重視的甲烷系發(fā)動機(jī)有了“第二春”，其效率仍沒有較現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的能力有質(zhì)的飛躍。

以火星探測為例，之所以每隔兩年多的時間才會出現(xiàn)一個所謂的“最佳時間窗口”，就是因為地火之間的近距離約為5,500萬公里，最遠(yuǎn)距離則超過4億公里。需要等到兩者之間距離較近時進(jìn)行發(fā)射，本質(zhì)是以時間換空間的無奈之舉。但即便這樣，在現(xiàn)有化學(xué)動力發(fā)動機(jī)的條件下，離開地球的航天器也需要6個月左右的時間才能到達(dá)環(huán)繞火星的軌道。

因此，幾十年來，許多火箭科學(xué)家都把以核反應(yīng)堆為動力的推進(jìn)系統(tǒng)視作下一代的高效航天動力，期望其能驅(qū)動各類航天器更快地到達(dá)火星和太陽系的其他地方。

核能初嘗試

二戰(zhàn)后，納粹德國知名火箭工程師馮·布勞恩（Wernher von Braun）投奔美國。在與蘇聯(lián)進(jìn)行太空競賽的過程中，他的土星五號火箭首次將人類送上月球，不僅一舉扭轉(zhuǎn)美國在競爭中的劣勢地位，更是直接為NASA接下來幾十年的輝煌打下根基。

不過，早在阿波羅工程之前，馮·布勞恩就已經(jīng)認(rèn)識到了核能推進(jìn)的潛力。最終，還催生出了一個名為“核動力火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用”（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application，NERVA) 的項目。

NERVA是一項核熱火箭發(fā)動機(jī)研制計劃，大約持續(xù)了20年。其主要目標(biāo)是“建立核火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，用于設(shè)計和開發(fā)太空任務(wù)應(yīng)用的推進(jìn)系統(tǒng)?！痹撚媱澥怯擅绹幽芪瘑T會（AEC）和美國國家航空航天局（NASA）合作的產(chǎn)物，由空間核推進(jìn)辦公室（SNPO）管理，直到1973年1月該計劃結(jié)束。

 NERVA起源于“流浪者計劃”（Project Rover），這是一個AEC在洛斯阿拉莫斯科學(xué)實驗室(LASL)開展的研究項目，最初的目的是為美國空軍的洲際彈道導(dǎo)彈提供核動力末級。

1958年NASA成立后，“流浪者計劃”作為一個民用項目繼續(xù)進(jìn)行，并調(diào)整方向，為NASA的土星五號火箭生產(chǎn)核動力末級。反應(yīng)堆在被運往內(nèi)華達(dá)州試驗場的Jackass Flats之前，以極低的功率進(jìn)行了測試。而LASL則專注于反應(yīng)堆的開發(fā)，NASA制造并測試了完整的火箭發(fā)動機(jī)。

 AEC、SNPO和NASA認(rèn)為NERVA是一個非常成功的方案，因為它達(dá)到或超過了方案預(yù)期目標(biāo)。核熱火箭發(fā)動機(jī)證明了核熱火箭發(fā)動機(jī)是一種可行的、可靠的太空探索工具，1968年底，SNPO證明最新的核熱火箭發(fā)動機(jī)XE符合人類火星任務(wù)的要求。

甚至NASA還對NERVA制定了宏遠(yuǎn)的規(guī)劃，包括1978年前訪問火星，1981年前建立永久的月球基地，以及對木星、土星和外星球的深空探測。此外，NERVA火箭將用于核“拖船”的一個組成部分，將有效載荷從近地軌道（LEO）帶到較高的軌道上，為繞地和繞月的幾個空間站提供補(bǔ)給，并支持一個永久性的月球基地。

雖然出于環(huán)保的考慮，NERVA發(fā)動機(jī)的制造和測試都盡量采用經(jīng)過飛行認(rèn)證的部件，而且發(fā)動機(jī)被認(rèn)為可以集成到航天器上，但NASA還是宣布終止NERVA。經(jīng)過17年的研發(fā)，NERVA項目已經(jīng)花費了約14億美元，可惜直至被尼克松總統(tǒng)取消前，它們從未在太空中飛行過。

不過，NERVA計劃的終結(jié)不意味著太空核能的末日?？紤]到核能相較于化學(xué)動力的高比沖優(yōu)勢，深空探索計劃一般都會想起核火箭發(fā)動機(jī)，所有以核火箭發(fā)動機(jī)為特色的航天器概念也都使用NERVA的衍生設(shè)計。

 1983年，美國知名的“星球大戰(zhàn)”計劃確定了一些只能由比化學(xué)火箭更強(qiáng)大的火箭來承擔(dān)的任務(wù)。1983年2月，一個名為SP-100的核推進(jìn)項目成立，目的是開發(fā)100KW的核火箭系統(tǒng)。從1987年到1991年，該項目得到了1.39億美元的資助。

1991年10月，該項目轉(zhuǎn)入空軍菲利普斯實驗室的空間核熱推進(jìn)（SNTP）計劃。但NASA后認(rèn)為SNTP與NERVA相比沒有足夠的改進(jìn)，而且也不是任何太空探索計劃任務(wù)所需要的。于是，在花費了2億美元后，SNTP計劃于1994年1月終止。

2013年，NASA的馬歇爾航天中心（MSFC）研究了一種從地球軌道到火星軌道再返回地球的星際旅行發(fā)動機(jī)，重點研究了核熱火箭（NTR）發(fā)動機(jī)，由于NTR的效率至少是最先進(jìn)的化學(xué)發(fā)動機(jī)的兩倍，因此可以以更短的軌道轉(zhuǎn)移時間運送更多的貨物。

在地球前往火星的旅程中，與使用化學(xué)發(fā)動機(jī)的8-9個月相比，使用NTR發(fā)動機(jī)的飛行時間更短，估計為3-4個月。2019年5月22日，美國國會批準(zhǔn)了1.25億美元的資金，用于開發(fā)核熱推進(jìn)火箭。

太空核動力駛?cè)肟燔嚨?/span>

今年5月15日，通過預(yù)征詢，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布，他們打算實現(xiàn)一個可飛行的核熱推進(jìn)系統(tǒng)，并在2025年前進(jìn)行演示。

這項名為“地月間敏捷火箭行動演示”（Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations，DRACO）的計劃力求在太空軌道上演示核熱推進(jìn)系統(tǒng)（NTP）。

NTP使用核反應(yīng)堆將推進(jìn)劑加熱到極高溫度，然后將熱推進(jìn)劑通過噴嘴排出，產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的太空推進(jìn)技術(shù)相比，NTP的推重比約為電推進(jìn)的1萬倍，比化學(xué)推進(jìn)的比沖高2-5倍。

該計劃的第一階段預(yù)計將持續(xù)18個月，包括兩個軌道。A軌將需要對NTP反應(yīng)堆進(jìn)行基線設(shè)計，包括對推進(jìn)子系統(tǒng)進(jìn)行概念設(shè)計審查（CoDR）和子系統(tǒng)要求審查（SuRR），最后對推進(jìn)子系統(tǒng)的反應(yīng)堆進(jìn)行基線設(shè)計審查（BDR）。

B軌道將需要設(shè)計一個操作系統(tǒng)（OS）航天器概念，以滿足國防部的任務(wù)目標(biāo)，并設(shè)計一個演示系統(tǒng)（DS）航天器概念。B軌將包括OS和DS的概念設(shè)計審查(CoDR)和系統(tǒng)需求審查(SRR)，以及最后的DS技術(shù)成熟計劃審查(TMPR)。

通過這項DRACO計劃，美國國防部將開發(fā)出一些列技術(shù)，以實現(xiàn)對地球軌道、月球軌道以及介于兩者之間的任何地方的航天器進(jìn)行更靈敏的控制，使軍隊在這些領(lǐng)域有更大的作戰(zhàn)自由度。

 “預(yù)計未來幾年，地月空間的活動將大大增加，”DRACO項目經(jīng)理Maj Nathan Greiner在接受采訪時說?！懊艚莸暮藷嵬七M(jìn)器使美國能夠提高在這一廣闊空間內(nèi)保持活動的意識?！?/span>

在其第一階段招標(biāo)中，DARPA要求工業(yè)界設(shè)計一個核熱反應(yīng)堆和一個用于演示核熱反應(yīng)堆的實用航天器。該方案的這一初始階段將持續(xù)18個月。隨后的階段將進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計、制造、地面試驗和空間演示。DARPA目前還沒有授予合同，授予價值將由工業(yè)界提交的材料決定。

通過DRACO計劃，美國國防部有可能實現(xiàn)在地月空間快速移動大型衛(wèi)星。例如，將一顆4噸重的衛(wèi)星從A點移動到B點，用太陽能電力推進(jìn)可能需要6個月左右的時間，而用核熱推進(jìn)只需幾個小時就可以完成。

要想將這項技術(shù)用于火星任務(wù)，NASA可能需要一個推力更大的系統(tǒng)。但在開發(fā)這項技術(shù)方面，由DARPA帶路，證明有很多共用的技術(shù)，并在太空中演示核發(fā)動機(jī)的操作，對NASA以后的發(fā)展有好處。所以，雖然五級大樓對地月空間感興趣，但DRACO試驗成功對人類的深空探索也是一個好消息。

那既然DRACO項目是商業(yè)招標(biāo)，那么就必然少不了工業(yè)界的身影。美國知名核技術(shù)公司BWX絕對是不可忽視的玩家。該公司曾經(jīng)制造出美國海軍潛艇和航空母艦上的大部分核反應(yīng)堆，并正在與NASA合作設(shè)計一種反應(yīng)堆以實現(xiàn)火星任務(wù)。

BWX公司的高級項目總裁Jonathan Cirtain表示，DARPA決定推進(jìn)核熱推進(jìn)器的開發(fā)，是因為關(guān)鍵的技術(shù)正在成熟。

其中一個進(jìn)步來自于難熔金屬的制造能力，這種材料非常耐熱。Cirtain 說，為了高效運轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)必須能夠在短短兩米的長度上承受巨大的溫度和壓力變化。試想一下，從-254.15攝氏度到2,226.85攝氏度乃至更高的溫差變化，發(fā)動機(jī)要經(jīng)受的考驗無異于冰火兩重天。

與此同時，設(shè)計核反應(yīng)堆堆芯的工程師可以利用計算能力，快速迭代新的設(shè)計——計算中子通量和流體動力學(xué)等變量。Cirtain 說，“現(xiàn)在，有了超級計算機(jī)，你可以將幾年的計算時間壓縮為幾天，迭代設(shè)計解決方案的速度比以前快得多?！?/span>

回顧人類對太空核動力的開發(fā)并審視當(dāng)下美國最前沿的核熱發(fā)動機(jī)項目，我們應(yīng)該意識到軍事應(yīng)用依舊是全球技術(shù)發(fā)展的重要帶動力量之一。而看似離我們遙遠(yuǎn)的地月空間也已經(jīng)被世界各主要航天科技大國所鎖定，未來圍繞太空制高點的爭奪毫無疑問會更加激烈。在這股趨勢下，國家機(jī)構(gòu)所釋放出的技術(shù)紅利的商業(yè)機(jī)會也將為相關(guān)領(lǐng)域的民營企業(yè)帶來利好信號。

參考資料：

[1]https://arstechnica.com/science/2020/06/the-us-military-is-getting-serious-about-nuclear-thermal-propulsion/

[2]https://beta.sam.gov/opp/471584e16391415da6e5dc08c33e9aa4/view#attachments-links

[3]https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-ntp

[4]https://spacenews.com/momentum-grows-for-nuclear-thermal-propulsion/

[5]https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/venus/q2811.html

[6]https://www.space-travel.com/reports/NASA_Researchers_Studying_Advanced_Nuclear_Rocket_Technologies_999.html

[7]https://phys.org/news/2019-07-earth-mars-days-power-nuclear.html

[8]https://www.darpa.mil/program/demonstration-rocket-for-agile-cislunar-operations