DARPA的核火箭系統(tǒng)技術(shù)介紹

DRACO項目將測試潛在的革命性推進(jìn)技術(shù)。

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(jī)。核熱推進(jìn)技術(shù)可用于美國宇航局未來的火星載人任務(wù)。?（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(jìn)（NTP）進(jìn)行太空測試，這可能是革命性的技術(shù)，可以幫助人類在火星和其他遙遠(yuǎn)的星球上建立商店。

項目團(tuán)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(shè)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(xué)會（AIAA）科技論壇和博覽會上介紹了該項目。尼爾森說，該機(jī)構(gòu)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(jìn)的核熱推進(jìn)，這是一項革命性的技術(shù)，將使美國能夠擴(kuò)大未來載人航天任務(wù)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(jī)，該發(fā)動機(jī)將由DARPA設(shè)計的實驗航天器使用。DARPA將為這種核火箭開發(fā)核反應(yīng)堆和發(fā)動機(jī)，該機(jī)構(gòu)和美國宇航局希望最早在2027年進(jìn)行太空演示。尼爾森稱這種伙伴關(guān)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(jī)構(gòu)間協(xié)議，概述了每個機(jī)構(gòu)的角色和責(zé)任;該協(xié)議授予NASA對核熱火箭發(fā)動機(jī)開發(fā)和制造的最終權(quán)力。然而，該協(xié)議授予DARPA對“實驗性NTR飛行器（X-NTRV）”的權(quán)力，該航天器將由計劃中的核火箭發(fā)動機(jī)提供動力，DARPA將負(fù)責(zé)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(yīng)用核發(fā)動機(jī)（NERVA）計劃試圖在1979年發(fā)射由核火箭驅(qū)動的載人火星任務(wù)。由于預(yù)算削減和對冷戰(zhàn)升級的擔(dān)憂，該計劃于1972年被取消。

核火箭系統(tǒng)技術(shù)介紹

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

用于火箭飛行器的核發(fā)動機(jī)（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(yuǎn)程任務(wù)和阿波羅計劃的可能上級。

洛斯阿拉莫斯在內(nèi)華達(dá)州和新墨西哥州擁有主要的測試設(shè)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(jī)反應(yīng)堆和液氫燃料系統(tǒng)的設(shè)計，特別是渦輪泵將燃料從儲罐泵送到發(fā)動機(jī)，并且是在太空中重新啟動發(fā)動機(jī)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(jìn)行飛機(jī)和導(dǎo)彈推進(jìn)感興趣。1945年，軍方開始贊助開發(fā)原子飛機(jī)的努力。然而，工程師無法克服涉及機(jī)組人員所需屏蔽或墜機(jī)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(yīng)堆。核火箭在進(jìn)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(xué)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(dān)任這一角色，任務(wù)從核導(dǎo)彈轉(zhuǎn)變?yōu)楹嘶鸺M(jìn)行長時間太空飛行。漫游者計劃始于對基本反應(yīng)堆和燃料系統(tǒng)的研究。隨后建造了一系列新西蘭反應(yīng)堆，用于在非飛行核發(fā)動機(jī)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(jī)（NERVA），試圖開發(fā)一種可飛行的發(fā)動機(jī)。該計劃的最后階段稱為反應(yīng)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(nèi)華達(dá)州的工廠開發(fā)發(fā)動機(jī)反應(yīng)堆，劉易斯將精力集中在車輛的液氫系統(tǒng)上?；鸺到y(tǒng)區(qū)為進(jìn)行核發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和測試氫氣泵系統(tǒng)提供了資源。300年和1959年在內(nèi)華達(dá)試驗場測試了一系列1960兆瓦的Kiwi-A反應(yīng)堆。Kiwi-B反應(yīng)堆在1961年至1964年間進(jìn)行了測試，該反應(yīng)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(yīng)堆設(shè)計之一整合到其NERVA NRX（NERVA反應(yīng)堆實驗）發(fā)動機(jī)中。第一次NERVA NRX測試于1964年1969月在內(nèi)華達(dá)州進(jìn)行。1960年，AEC成功測試了第二代NERVA發(fā)動機(jī)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(jī)進(jìn)行任何飛行測試之前被取消。

噴嘴冷卻

核火箭發(fā)動機(jī)AE設(shè)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(shè)計的基本要素。與化學(xué)火箭不同，核發(fā)動機(jī)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(shè)施（今天的尼爾·阿姆斯特朗測試設(shè)施）安裝了實驗性的銅和鋼發(fā)動機(jī)。研究人員使用發(fā)動機(jī)多次點火的測試結(jié)果創(chuàng)建了一個數(shù)學(xué)公式來預(yù)測熱量從排氣到噴嘴的傳遞。然后，他們通過用不同的推進(jìn)劑和噴油器形狀點燃發(fā)動機(jī)來擴(kuò)大調(diào)查范圍。J-1的研究確定，噴油器設(shè)計需要根據(jù)噴嘴的形狀進(jìn)行定制。

冷卻系統(tǒng)

核火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)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(yīng)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(nèi)管，冷氫氣流經(jīng)外管。在熱交換器表面結(jié)冰會帶來潛在的問題，特別是當(dāng)推進(jìn)劑供應(yīng)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(yīng)，劉易斯進(jìn)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(yīng)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?qū)錃夂退鬟^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(jié)冰條件的預(yù)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(jī)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(jī)，以執(zhí)行長期的人類任務(wù)到其他星球。與普惠公司的RL-10等化學(xué)火箭類似，核發(fā)動機(jī)將釋放少量氫氣為渦輪泵的渦輪機(jī)提供動力。渦輪機(jī)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(jī)研究設(shè)施（B-1）和核火箭動力學(xué)與控制設(shè)施（B-3）試驗臺來研究這一過程，用于新西蘭反應(yīng)堆設(shè)計。 1964年和1965年，劉易斯在B-1進(jìn)行推進(jìn)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(yīng)堆中的不同類型的核火箭循環(huán)。推進(jìn)劑像正常啟動期間一樣通過火箭系統(tǒng)泵送，但發(fā)動機(jī)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(guān)發(fā)動機(jī)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(jī)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jī)的動力。使用逼真的進(jìn)料系統(tǒng)有助于定義離心渦輪泵的整體性能和機(jī)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(jìn)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(fù)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(jìn)劑。

將人類送上火星已成為政府航天機(jī)構(gòu)和私人航天公司的主要太空飛行目標(biāo)之一。美國宇航局的阿爾忒彌斯計劃是該機(jī)構(gòu)“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(xué)到的知識，努力在紅色星球上建立人類的存在。

由聚變驅(qū)動火箭驅(qū)動的航天器的概念圖像。在這張照片中，機(jī)組人員將位于最靠前的房間。側(cè)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(xué)，MSNW）

新的推進(jìn)技術(shù)可能會在未來幾十年內(nèi)以驚人的速度將宇航員送入太空，使載人火星任務(wù)更快、更安全。

支持者說，加強(qiáng)電力推進(jìn)系統(tǒng)和由核聚變或裂變驅(qū)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(biāo)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(biāo)的過程中，航天局正在調(diào)查并鼓勵開發(fā)先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的化學(xué)火箭，這可能會讓宇航員在大約500天內(nèi)到達(dá)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(jìn)行大量鍛煉，以避免骨質(zhì)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(tuán)隊開發(fā)的核聚變火箭，由美國宇航局創(chuàng)新先進(jìn)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(nèi)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(wù)來設(shè)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(tuán)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(jī)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(rèn)為它行不通。

另一種先進(jìn)的推進(jìn)概念是分裂原子而不是將它們?nèi)诤显谝黄稹?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(zhì)推進(jìn)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(guān)于這個概念的嚴(yán)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(yīng)用核發(fā)動機(jī)”（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(jī)。 美國宇航局希望NERVA在1979年為載人火星任務(wù)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(rèn)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(shù)的希望。例如，美國宇航局總部先進(jìn)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(wù)的往返旅行時間縮短到180天。 “這是一項長期的技術(shù)開發(fā)活動，可能需要很多年才能準(zhǔn)備好，”摩爾在今年五月告訴記者?！暗俏覀儗⑷祟愃屯鹦堑娜蝿?wù)架構(gòu)的一部分，是使用核[熱]火箭。 ?

核電推進(jìn)器

核電也可以在目前正在開發(fā)的另一種推進(jìn)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(jìn)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(dǎo)出來，產(chǎn)生推力。

Ad Astra官員說，這個概念與其他等離子推進(jìn)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(jī)，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(wù)提供VASIMR所需的電力，但快速載人火星旅行需要機(jī)載核反應(yīng)堆。

VASIMR由能夠產(chǎn)生10至15兆瓦的核反應(yīng)堆提供動力，可以在一年內(nèi)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(yīng)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(jī)構(gòu)對NTP技術(shù)的興趣可以追溯到很久以前。例如，美國宇航局的目標(biāo)是在1979年之前通過一個名為NERVA（“火箭飛行器應(yīng)用核發(fā)動機(jī)”）的計劃在核動力航天器上發(fā)射載人火星任務(wù)。當(dāng)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(biāo)是在2030年代末或2040年代初將宇航員送到那里。它仍然認(rèn)為核熱推進(jìn)是一項關(guān)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(biāo)。

核熱火箭攜帶小型裂變反應(yīng)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(jìn)劑氣體上，推進(jìn)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?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（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(shù)。RTG 不提供推進(jìn)力;它們利用放射性衰變的熱量來發(fā)電，然后為儀器、電機(jī)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(biāo)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(biāo)發(fā)射窗口是2025年底或2026年初。

一項任務(wù)軌跡研究估計，如果VASIMR驅(qū)動的航天器擁有40兆瓦的電源，它可以在200天內(nèi)到達(dá)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(kuò)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(wù)場景需要一個每公斤（kg）質(zhì)量可以產(chǎn)生一千瓦（kW）功率的電源，否則航天器永遠(yuǎn)無法達(dá)到快速旅行所需的速度。

現(xiàn)有的電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到這一理想。太陽能電池板的質(zhì)量功率比為20 kg/kW。格洛弗說，五角大樓的DARPA科學(xué)實驗室希望開發(fā)可以達(dá)到7公斤/千瓦的太陽能電池板，而拉伸透鏡陣列可能達(dá)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(rèn)為核電是VASIMR驅(qū)動的火星任務(wù)最可能的動力來源，但可以完成這項工作的核反應(yīng)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(yīng)堆，而且它的功率僅為50公斤/千瓦。

編輯：黃飛

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