伊恩·博伊德是科罗拉多大学博尔得分校航空航天工程科学专业的教授。本文最初发布于 The Conversation。
随着NASA和埃隆·马斯克都憧憬着火星的梦想，载人长途太空飞行任务即将来临。但您可能会惊讶地发现，现代火箭的速度并没有比过去的火箭快多少。
更快的宇宙飞船有诸多优势，而核动力火箭是实现这一目标的一种方式。它们相比传统燃烧燃料的火箭或现代太阳能电力火箭具有许多优势，但在过去的40年里，美国仅进行了八次载有核反应堆的太空发射任务。
然而，去年有关核动力太空飞行法规的法律发生了变化，新一代火箭的研发工作已经开始。
为何需要速度？
太空旅程的第一步是利用发射火箭将飞船送入轨道。这些是人们想到火箭发射时会想象到的大型燃烧燃料发动机，由于重力限制，它们在可预见的未来不太可能消失。
一旦飞船进入太空，事情就变得有趣起来。要摆脱地球引力并到达深空目的地，飞船需要额外的加速。这时核动力系统就派上用场了。如果宇航员希望探索比月球更远、甚至可能到火星的地方，他们将需要非常非常快的速度。太空是巨大的，而一切都离我们很远。
更快的火箭对长途太空旅行更有利，原因有两个：安全性和时间。
前往火星的宇航员将暴露在极高的辐射水平下，这可能导致严重的长期健康问题，如癌症和不育。辐射屏蔽可以提供帮助，但它非常沉重，任务时间越长，需要的屏蔽越多。减少辐射暴露的更好方法是更快地到达目的地。
但人类安全并非唯一的好处。随着太空机构探索更远的太空，尽快获取无人任务的数据非常重要。旅行者2号花了12年才到达海王星，并在飞掠时拍摄了一些令人惊叹的照片。如果旅行者2号拥有更快的推进系统，天文学家们就能早很多年获得那些照片和其中包含的信息。
速度是好的。但为什么核动力系统更快？
当今的系统
一旦飞船摆脱了地球的引力，在比较任何推进系统时，有三个重要方面需要考虑：
- 推力 = 系统加速飞船的速度
- 质量效率 = 系统在给定燃料量下能产生的推力
- 能量密度 = 给定燃料量能产生的能量
如今，最常用的推进系统是化学推进——也就是常规的燃烧燃料火箭——以及太阳能电力推进系统。
化学推进系统提供巨大的推力，但化学火箭的效率不高，而且火箭燃料的能量密度也不高。将宇航员送往月球的土星五号火箭在起飞时产生的推力为3500万牛顿，并携带了95万加仑的燃料。虽然大部分燃料都用于将火箭送入轨道，但其局限性显而易见：要想到达任何地方都需要大量的重型燃料。
电力推进系统利用太阳能电池板产生的电力来产生推力。最常用的方法是使用电场加速离子，例如在霍尔推进器中。这些装置通常用于为卫星供电，其质量效率比化学系统高五倍以上。但它们的推力要小得多——约三牛顿，只相当于用两个半小时将一辆汽车从0加速到60英里/小时。能量源——太阳——几乎是无限的，但飞船离太阳越远，它的作用就越小。
核动力火箭之所以前景广阔，原因之一是它们具有惊人的能量密度。核反应堆使用的铀燃料的能量密度比肼（一种典型的化学火箭推进剂）高400万倍。将少量铀送入太空比将数十万加仑的燃料送入太空容易得多。
那么推力和质量效率呢？
核动力两种选择
工程师已经设计了两种主要的核动力太空旅行系统。
第一种称为核热推进。这些系统非常强大且效率中等。它们使用小型核裂变反应堆——类似于核潜艇中的反应堆——来加热气体，例如氢气，然后通过火箭喷管加速该气体以产生推力。NASA的工程师估计，核热推进任务前往火星比使用化学动力火箭的行程缩短20%-25%。
核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍以上——这意味着它们在相同推进剂质量下产生的推力是化学系统的两倍——并且可以提供10万牛顿的推力。这足以在约四分之一秒内将汽车从0加速到60英里/小时。
第二种核动力火箭系统称为核电推进。目前尚未建造任何核电系统，但其理念是使用大功率裂变反应堆产生电力，然后为霍尔推进器等电力推进系统供电。这将非常高效，比核热推进系统高出约三倍。由于核反应堆可以产生大量电力，可以同时运行许多独立的电推进器来产生相当大的推力。
核电系统将是超长距离任务的最佳选择，因为它们不需要太阳能，效率非常高，并且可以提供相对较高的推力。但尽管核电火箭前景广阔，但它们投入使用之前仍有许多技术问题需要解决。
为什么还没有核动力火箭？
核热推进系统自20世纪60年代以来一直在研究，但尚未在太空中飞行。
美国在20世纪70年代首先实施的法规基本上要求任何核动力太空项目的每次审批都必须经过多个政府机构的逐案审查和批准，并获得总统的明确批准。再加上缺乏对核火箭系统研究的资金，这种环境阻碍了用于太空的核反应堆的进一步改进。
这一切都随着特朗普政府于2019年8月发布总统备忘录而改变。在坚持尽可能安全地进行核发射的同时，新的指令允许使用少量核材料的核任务跳过多机构审批流程。例如，只有像NASA这样的主办机构需要证明任务符合安全建议。较大的核任务将遵循与以前相同的流程。
除了修订法规外，NASA在2019财年预算中获得了1亿美元用于开发核热推进技术。DARPA也在开发一种太空核热推进系统，以支持国家安全在地球轨道之外的行动。
经过60年的停滞，核动力火箭可能在十年内将飞向太空。这一激动人心的成就将开启太空探索的新时代。人们将前往火星，科学将在我们太阳系乃至更远的地方取得新的发现。
