DARPA的核火箭系统技术介绍

DRACO项目将测试潜在的革命性推进技术。

DRACO（火箭到敏捷Cislunar Operations演示）航天器的概念，它将演示核热火箭发动机。核热推进技术可用于美国宇航局未来的火星载人任务。 （图片来源：DARPA）

美国宇航局和美国军方计划在2025年底或2026年初将核动力航天器发射到地球轨道。

该项目被称为DRACO（“敏捷Cislunar Operations示范火箭”），旨在对核热推进（NTP）进行太空测试，这可能是革命性的技术，可以帮助人类在火星和其他遥远的星球上建立商店。

项目团队成员今天（7月26日）宣布，DRACO航天器将由洛克希德马丁公司开发和建造。

美国宇航局希望在2027年之前设计和演示一种有效的核热火箭。

美国宇航局局长比尔·纳尔逊周二，在马里兰州国家港举行的2023年美国航空航天学会（AIAA）科技论坛和博览会上介绍了该项目。尼尔森说，该机构将与五角大楼国防高级研究计划局（DARPA）合作，以“开发和展示先进的核热推进，这是一项革命性的技术，将使美国能够扩大未来载人航天任务的可能性。

根据协议，美国宇航局将加入DARPA的敏捷月球操作示范火箭（DRACO），该计划始于2021年。该计划旨在开发一种核热发动机，该发动机将由DARPA设计的实验航天器使用。DARPA将为这种核火箭开发核反应堆和发动机，该机构和美国宇航局希望最早在2027年进行太空演示。尼尔森称这种伙伴关系是“对人类太空探索未来的令人兴奋的投资”和“对前往火星的重大投资”。

NASA和DARPA发布了一项机构间协议，概述了每个机构的角色和责任;该协议授予NASA对核热火箭发动机开发和制造的最终权力。然而，该协议授予DARPA对“实验性NTR飞行器（X-NTRV）”的权力，该航天器将由计划中的核火箭发动机提供动力，DARPA将负责在轨道上操作和处置X-NTRV。

这种核火箭的愿景可以追溯到几十年前。美国宇航局的火箭飞行器应用核发动机（NERVA）计划试图在1979年发射由核火箭驱动的载人火星任务。由于预算削减和对冷战升级的担忧，该计划于1972年被取消。

核火箭系统技术介绍

刘易斯制造车间真空炉的技术人员准备一个Kiwi B-1喷嘴，以便在B-1测试台上进行测试（5/8/1964）。

用于火箭飞行器的核发动机（NERVA）是美国宇航局和原子能委员会的联合努力，旨在开发一种核动力火箭，用于火星远程任务和阿波罗计划的可能上级。

洛斯阿拉莫斯在内华达州和新墨西哥州拥有主要的测试设施，但美国宇航局的刘易斯研究中心从一开始就参与了发动机反应堆和液氢燃料系统的设计，特别是涡轮泵将燃料从储罐泵送到发动机，并且是在太空中重新启动发动机的主要工具。

流浪者和NERVA计划项目

第二次世界大战后，工程师们开始对利用原子裂变的巨大力量进行飞机和导弹推进感兴趣。1945年，军方开始赞助开发原子飞机的努力。然而，工程师无法克服涉及机组人员所需屏蔽或坠机现场辐射恐惧的问题。1955年，军方与原子能委员会（AEC）合作，在漫游者计划下开发核火箭反应堆。核火箭在进入太空之前不会发射上级 - 减少地球上碰撞引起的污染的威胁。核火箭将使用裂变来加热液氢，并以取代化学火箭的速度将其作为推力排出。

1959年，美国宇航局取代空军担任这一角色，任务从核导弹转变为核火箭进行长时间太空飞行。漫游者计划始于对基本反应堆和燃料系统的研究。随后建造了一系列新西兰反应堆，用于在非飞行核发动机中测试核火箭原理。下一阶段，用于火箭飞行器的核发动机（NERVA），试图开发一种可飞行的发动机。该计划的最后阶段称为反应堆飞行测试，将是实际的发射测试。

AEC致力于在新墨西哥州和内华达州的工厂开发发动机反应堆，刘易斯将精力集中在车辆的液氢系统上。火箭系统区为进行核发动机系统的基础研究和测试氢气泵系统提供了资源。300年和1959年在内华达试验场测试了一系列1960兆瓦的Kiwi-A反应堆。Kiwi-B反应堆在1961年至1964年间进行了测试，该反应堆在不增加整体尺寸的情况下显着增加了功率。

Aerojet同时将Kiwi-B反应堆设计之一整合到其NERVA NRX（NERVA反应堆实验）发动机中。第一次NERVA NRX测试于1964年1969月在内华达州进行。1960年，AEC成功测试了第二代NERVA发动机XE，数十次。然而，NERVA的资金在1973年代后期减少，该计划在1978年发动机进行任何飞行测试之前被取消。

喷嘴冷却

核火箭发动机AE设计用于在极热的温度下运行，以最大限度地提高效率。再生冷却系统使冷液氢流经喷嘴周围的管道，是设计的基本要素。与化学火箭不同，核发动机采用的喷嘴在膨胀之前会急剧变窄。很难冷却收缩区域。为了解决这个问题，刘易斯研究人员试图更好地了解喷嘴中的传热过程。他们在Plum Brook站的J-1测试设施（今天的尼尔·阿姆斯特朗测试设施）安装了实验性的铜和钢发动机。研究人员使用发动机多次点火的测试结果创建了一个数学公式来预测热量从排气到喷嘴的传递。然后，他们通过用不同的推进剂和喷油器形状点燃发动机来扩大调查范围。J-1的研究确定，喷油器设计需要根据喷嘴的形状进行定制。

冷却系统

核火箭发动机的设计包括一个减速剂，该慢化剂使用水来减慢快速移动的中子。这提高了反应堆裂变的效率。热交换器通过将热量从慢化剂的水传递到低温液态氢来冷却慢化剂。交换器是管中的管。热慢化剂水流过内管，冷氢气流经外管。在热交换器表面结冰会带来潜在的问题，特别是当推进剂供应不足时。冰可能会降低交换器的性能，并可能阻塞流动通道。作为回应，刘易斯进行了多年的努力，以测量冰层并研究造成冰的条件。

研究人员在液压实验室（F Site）的两个氢气供应罐之间安装了一个三角形的19管热交换器，以确定每个管子上的冰堆积是否不同。他们首先以相反的方向将氢气和水流过系统，然后朝同一方向流动。这些测试验证了他们对没有结冰条件的预测，但他们对冰存在时间的估计被证明非常低。

轴流泵的B-1测试

核火箭发动机必须能够在没有任何外部电源的情况下改变其速度并重新启动其发动机，以执行长期的人类任务到其他星球。与普惠公司的RL-10等化学火箭类似，核发动机将释放少量氢气为涡轮泵的涡轮机提供动力。涡轮机将激活整个泵，该泵将为燃烧室提供燃料。美国宇航局使用高能火箭发动机研究设施（B-1）和核火箭动力学与控制设施（B-3）试验台来研究这一过程，用于新西兰反应堆设计。 1964年和1965年，刘易斯在B-1进行推进剂系统计划，研究配备Rocketdyne Mark IX轴流涡轮泵的无燃料新西兰B-1B反应堆中的不同类型的核火箭循环。推进剂像正常启动期间一样通过火箭系统泵送，但发动机没有点火。研究人员首先在一系列流动条件下测试了该系统，以获取有关发动机控制、流体不稳定性和启动期间传热的数据。 B-1运行决定了涡轮机可以在流量初始化期间实现自举加速。AEC不久后也在洛斯阿拉莫斯成功演示。1年初的进一步B-1965研究表明，Mark IX涡轮泵根据需要加速并且没有粘住。从喷嘴表面分离的气流导致喷嘴中的大振幅振动。

B-3离心泵测试

刘易斯随后试图在B-1展台上使用Aerojet Mark III离心涡轮泵研究Kiwi B-3B的启动。B-3测试从1966年5月到11月进行，建立了正确的启动程序，其中包括液氢流速，动力循环时间延迟和涡轮机的动力。使用逼真的进料系统有助于定义离心涡轮泵的整体性能和机械特性。研究人员发现，正常的泵效率方程不适用于低启动速度，但推进剂流动特性适用。

在测试期间，在B-3安装了再加热器系统，以便在低温测试运行后快速将测试台恢复到环境温度。据确定，3000美元的再加热器将该计划的估计长度缩短了三个月，并节省了价值50，000美元的推进剂。

将人类送上火星已成为政府航天机构和私人航天公司的主要太空飞行目标之一。美国宇航局的阿尔忒弥斯计划是该机构“月球到火星”愿景的一部分，该计划将利用美国宇航局将从其计划的月球探索中学到的知识，努力在红色星球上建立人类的存在。

由聚变驱动火箭驱动的航天器的概念图像。在这张照片中，机组人员将位于最靠前的房间。侧面的太阳能电池板将收集能量以启动产生聚变的过程。 （图片来源：华盛顿大学，MSNW）

新的推进技术可能会在未来几十年内以惊人的速度将宇航员送入太空，使载人火星任务更快、更安全。

支持者说，加强电力推进系统和由核聚变或裂变驱动的火箭最终可能会大大缩短前往红色星球的旅行时间，这可能会开辟载人太空探索的新时代。

在红色星球上穿靴子是NASA的主要野心，它的目标是在2030年代中期将宇航员送到火星附近。

在实现这一目标的过程中，航天局正在调查并鼓励开发先进的推进系统，以取代传统的化学火箭，这可能会让宇航员在大约500天内到达火星并返回。

这对NASA来说太慢了。官员们说，生活在深空的人可能会积累相对较高的辐射剂量，他们必须进行大量锻炼，以避免骨质流失，肌肉萎缩和其他长期微重力暴露的危害。

一种可能的解决方案是由斯劳和他的团队开发的核聚变火箭，由美国宇航局创新先进概念计划（NIAC）资助。[巨大的飞跃：人类太空飞行的顶级里程碑]

研究人员说，这样的系统可以在短短90天左右的时间内将宇航员送到红色星球。事实上，他们正在围绕一个总共持续210天的参考任务来设计他们的工作 - 83天用于飞行，30天在红色星球表面和97天的返回地球的旅程。

团队成员说，利用核聚变的力量 - 为太阳提供燃料并赋予氢弹巨大破坏潜力的过程相同 - 将使这种快速旅行成为可能。

在他们的发动机中，等离子体气泡 - 由氘和氚，氢的“重”同位素制成 - 将被注入一个腔室，在那里磁场会坍塌它们周围的金属环。这将短暂地将气泡压缩成聚变状态，释放出会使金属蒸发和电离的能量。然后，金属将通过喷嘴加速出航天器的后部，产生推力。

研究人员说，要把这个概念变为现实，需要做很多工作，但没有理由认为它行不通。

另一种先进的推进概念是分裂原子而不是将它们融合在一起。 核热火箭（NTR）的核心工作方式与核电站非常相似，采用裂变材料产生大量热量。轻质推进剂 - 也许是液态氢 - 将围绕这个核心流动，一旦过热，就会通过喷嘴排出，产生大量的推力。   NTR的想法并不新鲜。关于这个概念的严肃工作始于1950年代，美国宇航局/美国原子能委员会的一项名为“火箭飞行器应用核发动机”（NERVA）的联合计划成功地开发和测试了（在地球上）多个核热火箭发动机。 美国宇航局希望NERVA在1979年为载人火星任务提供动力，但从未发生过。该计划于1972年被取消，部分原因是国会认为红色星球的努力过于昂贵，并可能升级美国和苏联之间的太空竞赛。 尽管如此，美国宇航局并没有放弃对这项技术的希望。例如，美国宇航局总部先进探索系统副主任克里斯·摩尔（Chris Moore）表示，核热火箭可能会将火星任务的往返旅行时间缩短到180天。 “这是一项长期的技术开发活动，可能需要很多年才能准备好，”摩尔在今年五月告诉记者。“但它是我们将人类送往火星的任务架构的一部分，是使用核[热]火箭。  

核电推进器

核电也可以在目前正在开发的另一种推进系统中发挥作用，这是一种称为可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）的推进器。

VASIMR由总部位于德克萨斯州的Ad Astra火箭公司开发，它使用电磁辐射来加热和电离氩气，氙气或氢气等气体。磁性喷嘴将产生的过热等离子体从背面引导出来，产生推力。

Ad Astra官员说，这个概念与其他等离子推进系统大致相似，例如为NASA的小行星探索黎明号航天器提供动力的离子发动机，但VASIMR能够产生更大的推力。

太阳能电池板可以为大多数近地任务提供VASIMR所需的电力，但快速载人火星旅行需要机载核反应堆。

VASIMR由能够产生10至15兆瓦的核反应堆提供动力，可以在一年内将宇航员送上火星并返回，并留出一些时间探索这颗红色星球。反应堆也可以在表面上派上用场。

美国国防高级研究计划局 （DARPA） 于 2021 年启动了该计划，美国宇航局于 2023 年初加入。

美国宇航局的参与不足为奇;该机构对NTP技术的兴趣可以追溯到很久以前。例如，美国宇航局的目标是在1979年之前通过一个名为NERVA（“火箭飞行器应用核发动机”）的计划在核动力航天器上发射载人火星任务。当然，这并没有发生;NERVA于1972年被取消。

美国宇航局仍在为这颗红色星球拍摄，目标是在2030年代末或2040年代初将宇航员送到那里。它仍然认为核热推进是一项关键突破，可以通过削减往返红色星球的旅行时间来实现这一目标。

核热火箭携带小型裂变反应堆，在分裂原子时释放出令人难以置信的热量。然后将该热量施加到推进剂气体上，推进剂气体膨胀并通过喷嘴流入太空以产生推力。

这一过程不同于放射性同位素热电发电机（RTG）采用的过程，后者自太空时代早期以来一直在探测器上飞行的核技术。RTG 不提供推进力;它们利用放射性衰变的热量来发电，然后为仪器、电机和其他航天器齿轮提供动力。

在之前的DRACO更新中，DARPA和NASA表示，他们的目标是在2027年之前启动该计划的首次太空演示。但这个时间表可能已经提前了;Shireman在今天的简报中表示，目前的目标发射窗口是2025年底或2026年初。

一项任务轨迹研究估计，如果VASIMR驱动的航天器拥有40兆瓦的电源，它可以在200天内到达这颗红色星球。这比目前的VASIMR原型使用的功率高出1倍，尽管Ad Astra表示VASIMR可以扩展到更高的电源。

真正的问题在于目前空间动力源的限制。格洛弗估计，火星任务场景需要一个每公斤（kg）质量可以产生一千瓦（kW）功率的电源，否则航天器永远无法达到快速旅行所需的速度。

现有的电源远远没有达到这一理想。太阳能电池板的质量功率比为20 kg/kW。格洛弗说，五角大楼的DARPA科学实验室希望开发可以达到7公斤/千瓦的太阳能电池板，而拉伸透镜阵列可能达到3公斤/千瓦。这足以让VASIMR在低地球轨道上运送货物到月球，但不能将人类送往火星。

Ad Astra认为核电是VASIMR驱动的火星任务最可能的动力来源，但可以完成这项工作的核反应堆仍然只是一个纸上谈兵的概念。早在1965年，美国就只向太空发射了一个核反应堆，而且它的功率仅为50公斤/千瓦。

编辑：黄飞