DRACO項目將測試潛在的革命性推進技術。

DRACO（火箭到敏捷Cislunar Operations演示）航天器的概念，它將演示核熱火箭發(fā)動機。核熱推進技術可用于美國宇航局未來的火星載人任務。?（圖片來源：DARPA）

美國宇航局和美國軍方計劃在2025年底或2026年初將核動力航天器發(fā)射到地球軌道。

該項目被稱為DRACO（“敏捷Cislunar Operations示范火箭”），旨在對核熱推進（NTP）進行太空測試，這可能是革命性的技術，可以幫助人類在火星和其他遙遠的星球上建立商店。

項目團隊成員今天（7月26日）宣布，DRACO航天器將由洛克希德馬丁公司開發(fā)和建造。

美國宇航局希望在2027年之前設計和演示一種有效的核熱火箭。

美國宇航局局長比爾·納爾遜周二，在馬里蘭州國家港舉行的2023年美國航空航天學會（AIAA）科技論壇和博覽會上介紹了該項目。尼爾森說，該機構將與五角大樓國防高級研究計劃局（DARPA）合作，以“開發(fā)和展示先進的核熱推進，這是一項革命性的技術，將使美國能夠擴大未來載人航天任務的可能性。

根據(jù)協(xié)議，美國宇航局將加入DARPA的敏捷月球操作示范火箭（DRACO），該計劃始于2021年。該計劃旨在開發(fā)一種核熱發(fā)動機，該發(fā)動機將由DARPA設計的實驗航天器使用。DARPA將為這種核火箭開發(fā)核反應堆和發(fā)動機，該機構和美國宇航局希望最早在2027年進行太空演示。尼爾森稱這種伙伴關系是“對人類太空探索未來的令人興奮的投資”和“對前往火星的重大投資”。

NASA和DARPA發(fā)布了一項機構間協(xié)議，概述了每個機構的角色和責任;該協(xié)議授予NASA對核熱火箭發(fā)動機開發(fā)和制造的最終權力。然而，該協(xié)議授予DARPA對“實驗性NTR飛行器（X-NTRV）”的權力，該航天器將由計劃中的核火箭發(fā)動機提供動力，DARPA將負責在軌道上操作和處置X-NTRV。

這種核火箭的愿景可以追溯到幾十年前。美國宇航局的火箭飛行器應用核發(fā)動機（NERVA）計劃試圖在1979年發(fā)射由核火箭驅動的載人火星任務。由于預算削減和對冷戰(zhàn)升級的擔憂，該計劃于1972年被取消。

核火箭系統(tǒng)技術介紹

劉易斯制造車間真空爐的技術人員準備一個Kiwi B-1噴嘴，以便在B-1測試臺上進行測試（5/8/1964）。

用于火箭飛行器的核發(fā)動機（NERVA）是美國宇航局和原子能委員會的聯(lián)合努力，旨在開發(fā)一種核動力火箭，用于火星遠程任務和阿波羅計劃的可能上級。

洛斯阿拉莫斯在內華達州和新墨西哥州擁有主要的測試設施，但美國宇航局的劉易斯研究中心從一開始就參與了發(fā)動機反應堆和液氫燃料系統(tǒng)的設計，特別是渦輪泵將燃料從儲罐泵送到發(fā)動機，并且是在太空中重新啟動發(fā)動機的主要工具。

流浪者和NERVA計劃項目

第二次世界大戰(zhàn)后，工程師們開始對利用原子裂變的巨大力量進行飛機和導彈推進感興趣。1945年，軍方開始贊助開發(fā)原子飛機的努力。然而，工程師無法克服涉及機組人員所需屏蔽或墜機現(xiàn)場輻射恐懼的問題。1955年，軍方與原子能委員會（AEC）合作，在漫游者計劃下開發(fā)核火箭反應堆。核火箭在進入太空之前不會發(fā)射上級 - 減少地球上碰撞引起的污染的威脅。核火箭將使用裂變來加熱液氫，并以取代化學火箭的速度將其作為推力排出。

1959年，美國宇航局取代空軍擔任這一角色，任務從核導彈轉變?yōu)楹嘶鸺M行長時間太空飛行。漫游者計劃始于對基本反應堆和燃料系統(tǒng)的研究。隨后建造了一系列新西蘭反應堆，用于在非飛行核發(fā)動機中測試核火箭原理。下一階段，用于火箭飛行器的核發(fā)動機（NERVA），試圖開發(fā)一種可飛行的發(fā)動機。該計劃的最后階段稱為反應堆飛行測試，將是實際的發(fā)射測試。

AEC致力于在新墨西哥州和內華達州的工廠開發(fā)發(fā)動機反應堆，劉易斯將精力集中在車輛的液氫系統(tǒng)上。火箭系統(tǒng)區(qū)為進行核發(fā)動機系統(tǒng)的基礎研究和測試氫氣泵系統(tǒng)提供了資源。300年和1959年在內華達試驗場測試了一系列1960兆瓦的Kiwi-A反應堆。Kiwi-B反應堆在1961年至1964年間進行了測試，該反應堆在不增加整體尺寸的情況下顯著增加了功率。

Aerojet同時將Kiwi-B反應堆設計之一整合到其NERVA NRX（NERVA反應堆實驗）發(fā)動機中。第一次NERVA NRX測試于1964年1969月在內華達州進行。1960年，AEC成功測試了第二代NERVA發(fā)動機XE，數(shù)十次。然而，NERVA的資金在1973年代后期減少，該計劃在1978年發(fā)動機進行任何飛行測試之前被取消。

噴嘴冷卻

核火箭發(fā)動機AE設計用于在極熱的溫度下運行，以最大限度地提高效率。再生冷卻系統(tǒng)使冷液氫流經(jīng)噴嘴周圍的管道，是設計的基本要素。與化學火箭不同，核發(fā)動機采用的噴嘴在膨脹之前會急劇變窄。很難冷卻收縮區(qū)域。為了解決這個問題，劉易斯研究人員試圖更好地了解噴嘴中的傳熱過程。他們在Plum Brook站的J-1測試設施（今天的尼爾·阿姆斯特朗測試設施）安裝了實驗性的銅和鋼發(fā)動機。研究人員使用發(fā)動機多次點火的測試結果創(chuàng)建了一個數(shù)學公式來預測熱量從排氣到噴嘴的傳遞。然后，他們通過用不同的推進劑和噴油器形狀點燃發(fā)動機來擴大調查范圍。J-1的研究確定，噴油器設計需要根據(jù)噴嘴的形狀進行定制。

冷卻系統(tǒng)

核火箭發(fā)動機的設計包括一個減速劑，該慢化劑使用水來減慢快速移動的中子。這提高了反應堆裂變的效率。熱交換器通過將熱量從慢化劑的水傳遞到低溫液態(tài)氫來冷卻慢化劑。交換器是管中的管。熱慢化劑水流過內管，冷氫氣流經(jīng)外管。在熱交換器表面結冰會帶來潛在的問題，特別是當推進劑供應不足時。冰可能會降低交換器的性能，并可能阻塞流動通道。作為回應，劉易斯進行了多年的努力，以測量冰層并研究造成冰的條件。

研究人員在液壓實驗室（F Site）的兩個氫氣供應罐之間安裝了一個三角形的19管熱交換器，以確定每個管子上的冰堆積是否不同。他們首先以相反的方向將氫氣和水流過系統(tǒng)，然后朝同一方向流動。這些測試驗證了他們對沒有結冰條件的預測，但他們對冰存在時間的估計被證明非常低。

軸流泵的B-1測試

核火箭發(fā)動機必須能夠在沒有任何外部電源的情況下改變其速度并重新啟動其發(fā)動機，以執(zhí)行長期的人類任務到其他星球。與普惠公司的RL-10等化學火箭類似，核發(fā)動機將釋放少量氫氣為渦輪泵的渦輪機提供動力。渦輪機將激活整個泵，該泵將為燃燒室提供燃料。美國宇航局使用高能火箭發(fā)動機研究設施（B-1）和核火箭動力學與控制設施（B-3）試驗臺來研究這一過程，用于新西蘭反應堆設計。 1964年和1965年，劉易斯在B-1進行推進劑系統(tǒng)計劃，研究配備Rocketdyne Mark IX軸流渦輪泵的無燃料新西蘭B-1B反應堆中的不同類型的核火箭循環(huán)。推進劑像正常啟動期間一樣通過火箭系統(tǒng)泵送，但發(fā)動機沒有點火。研究人員首先在一系列流動條件下測試了該系統(tǒng)，以獲取有關發(fā)動機控制、流體不穩(wěn)定性和啟動期間傳熱的數(shù)據(jù)。 B-1運行決定了渦輪機可以在流量初始化期間實現(xiàn)自舉加速。AEC不久后也在洛斯阿拉莫斯成功演示。1年初的進一步B-1965研究表明，Mark IX渦輪泵根據(jù)需要加速并且沒有粘住。從噴嘴表面分離的氣流導致噴嘴中的大振幅振動。

B-3離心泵測試

劉易斯隨后試圖在B-1展臺上使用Aerojet Mark III離心渦輪泵研究Kiwi B-3B的啟動。B-3測試從1966年5月到11月進行，建立了正確的啟動程序，其中包括液氫流速，動力循環(huán)時間延遲和渦輪機的動力。使用逼真的進料系統(tǒng)有助于定義離心渦輪泵的整體性能和機械特性。研究人員發(fā)現(xiàn)，正常的泵效率方程不適用于低啟動速度，但推進劑流動特性適用。

在測試期間，在B-3安裝了再加熱器系統(tǒng)，以便在低溫測試運行后快速將測試臺恢復到環(huán)境溫度。據(jù)確定，3000美元的再加熱器將該計劃的估計長度縮短了三個月，并節(jié)省了價值50，000美元的推進劑。

將人類送上火星已成為政府航天機構和私人航天公司的主要太空飛行目標之一。美國宇航局的阿爾忒彌斯計劃是該機構“月球到火星”愿景的一部分，該計劃將利用美國宇航局將從其計劃的月球探索中學到的知識，努力在紅色星球上建立人類的存在。

由聚變驅動火箭驅動的航天器的概念圖像。在這張照片中，機組人員將位于最靠前的房間。側面的太陽能電池板將收集能量以啟動產(chǎn)生聚變的過程。?（圖片來源：華盛頓大學，MSNW）

新的推進技術可能會在未來幾十年內以驚人的速度將宇航員送入太空，使載人火星任務更快、更安全。

支持者說，加強電力推進系統(tǒng)和由核聚變或裂變驅動的火箭最終可能會大大縮短前往紅色星球的旅行時間，這可能會開辟載人太空探索的新時代。

在紅色星球上穿靴子是NASA的主要野心，它的目標是在2030年代中期將宇航員送到火星附近。

在實現(xiàn)這一目標的過程中，航天局正在調查并鼓勵開發(fā)先進的推進系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的化學火箭，這可能會讓宇航員在大約500天內到達火星并返回。

這對NASA來說太慢了。官員們說，生活在深空的人可能會積累相對較高的輻射劑量，他們必須進行大量鍛煉，以避免骨質流失，肌肉萎縮和其他長期微重力暴露的危害。

一種可能的解決方案是由斯勞和他的團隊開發(fā)的核聚變火箭，由美國宇航局創(chuàng)新先進概念計劃（NIAC）資助。[巨大的飛躍：人類太空飛行的頂級里程碑]

研究人員說，這樣的系統(tǒng)可以在短短90天左右的時間內將宇航員送到紅色星球。事實上，他們正在圍繞一個總共持續(xù)210天的參考任務來設計他們的工作 - 83天用于飛行，30天在紅色星球表面和97天的返回地球的旅程。

團隊成員說，利用核聚變的力量 - 為太陽提供燃料并賦予氫彈巨大破壞潛力的過程相同 - 將使這種快速旅行成為可能。

在他們的發(fā)動機中，等離子體氣泡 - 由氘和氚，氫的“重”同位素制成 - 將被注入一個腔室，在那里磁場會坍塌它們周圍的金屬環(huán)。這將短暫地將氣泡壓縮成聚變狀態(tài)，釋放出會使金屬蒸發(fā)和電離的能量。然后，金屬將通過噴嘴加速出航天器的后部，產(chǎn)生推力。

研究人員說，要把這個概念變?yōu)楝F(xiàn)實，需要做很多工作，但沒有理由認為它行不通。

另一種先進的推進概念是分裂原子而不是將它們融合在一起。 核熱火箭（NTR）的核心工作方式與核電站非常相似，采用裂變材料產(chǎn)生大量熱量。輕質推進劑 - 也許是液態(tài)氫 - 將圍繞這個核心流動，一旦過熱，就會通過噴嘴排出，產(chǎn)生大量的推力。 ? NTR的想法并不新鮮。關于這個概念的嚴肅工作始于1950年代，美國宇航局/美國原子能委員會的一項名為“火箭飛行器應用核發(fā)動機”（NERVA）的聯(lián)合計劃成功地開發(fā)和測試了（在地球上）多個核熱火箭發(fā)動機。 美國宇航局希望NERVA在1979年為載人火星任務提供動力，但從未發(fā)生過。該計劃于1972年被取消，部分原因是國會認為紅色星球的努力過于昂貴，并可能升級美國和蘇聯(lián)之間的太空競賽。 盡管如此，美國宇航局并沒有放棄對這項技術的希望。例如，美國宇航局總部先進探索系統(tǒng)副主任克里斯·摩爾（Chris Moore）表示，核熱火箭可能會將火星任務的往返旅行時間縮短到180天。 “這是一項長期的技術開發(fā)活動，可能需要很多年才能準備好，”摩爾在今年五月告訴記者。“但它是我們將人類送往火星的任務架構的一部分，是使用核[熱]火箭。 ?

核電推進器

核電也可以在目前正在開發(fā)的另一種推進系統(tǒng)中發(fā)揮作用，這是一種稱為可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）的推進器。

VASIMR由總部位于德克薩斯州的Ad Astra火箭公司開發(fā)，它使用電磁輻射來加熱和電離氬氣，氙氣或氫氣等氣體。磁性噴嘴將產(chǎn)生的過熱等離子體從背面引導出來，產(chǎn)生推力。

Ad Astra官員說，這個概念與其他等離子推進系統(tǒng)大致相似，例如為NASA的小行星探索黎明號航天器提供動力的離子發(fā)動機，但VASIMR能夠產(chǎn)生更大的推力。

太陽能電池板可以為大多數(shù)近地任務提供VASIMR所需的電力，但快速載人火星旅行需要機載核反應堆。

VASIMR由能夠產(chǎn)生10至15兆瓦的核反應堆提供動力，可以在一年內將宇航員送上火星并返回，并留出一些時間探索這顆紅色星球。反應堆也可以在表面上派上用場。

美國國防高級研究計劃局 （DARPA） 于 2021 年啟動了該計劃，美國宇航局于 2023 年初加入。

美國宇航局的參與不足為奇;該機構對NTP技術的興趣可以追溯到很久以前。例如，美國宇航局的目標是在1979年之前通過一個名為NERVA（“火箭飛行器應用核發(fā)動機”）的計劃在核動力航天器上發(fā)射載人火星任務。當然，這并沒有發(fā)生;NERVA于1972年被取消。

美國宇航局仍在為這顆紅色星球拍攝，目標是在2030年代末或2040年代初將宇航員送到那里。它仍然認為核熱推進是一項關鍵突破，可以通過削減往返紅色星球的旅行時間來實現(xiàn)這一目標。

核熱火箭攜帶小型裂變反應堆，在分裂原子時釋放出令人難以置信的熱量。然后將該熱量施加到推進劑氣體上，推進劑氣體膨脹并通過噴嘴流入太空以產(chǎn)生推力。

這一過程不同于放射性同位素熱電發(fā)電機（RTG）采用的過程，后者自太空時代早期以來一直在探測器上飛行的核技術。RTG 不提供推進力;它們利用放射性衰變的熱量來發(fā)電，然后為儀器、電機和其他航天器齒輪提供動力。

在之前的DRACO更新中，DARPA和NASA表示，他們的目標是在2027年之前啟動該計劃的首次太空演示。但這個時間表可能已經(jīng)提前了;Shireman在今天的簡報中表示，目前的目標發(fā)射窗口是2025年底或2026年初。

一項任務軌跡研究估計，如果VASIMR驅動的航天器擁有40兆瓦的電源，它可以在200天內到達這顆紅色星球。這比目前的VASIMR原型使用的功率高出1倍，盡管Ad Astra表示VASIMR可以擴展到更高的電源。

真正的問題在于目前空間動力源的限制。格洛弗估計，火星任務場景需要一個每公斤（kg）質量可以產(chǎn)生一千瓦（kW）功率的電源，否則航天器永遠無法達到快速旅行所需的速度。

現(xiàn)有的電源遠遠沒有達到這一理想。太陽能電池板的質量功率比為20 kg/kW。格洛弗說，五角大樓的DARPA科學實驗室希望開發(fā)可以達到7公斤/千瓦的太陽能電池板，而拉伸透鏡陣列可能達到3公斤/千瓦。這足以讓VASIMR在低地球軌道上運送貨物到月球，但不能將人類送往火星。

Ad Astra認為核電是VASIMR驅動的火星任務最可能的動力來源，但可以完成這項工作的核反應堆仍然只是一個紙上談兵的概念。早在1965年，美國就只向太空發(fā)射了一個核反應堆，而且它的功率僅為50公斤/千瓦。

編輯：黃飛

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