几周前，国会通过的一项支出法案包括拨款1亿美元供NASA开发核热火箭发动机。尽管人们对核材料存在挥之不去的反对声音，但这在太空探索领域并不罕见。好奇号探测器只是众多由核材料驱动的NASA任务之一，在这种情况下，它是一个多任务放射性同位素热电发电机（MMRTG），它将钚-238衰变产生的热量转化为电能。但是您会说，那是机器人任务，不影响人类？阿波罗登月任务也曾携带核发电机；ALSEPs使用了放射性同位素热电发电机为一些地表实验提供动力。
NERVA发动机示意图。NASA/AEC
当然，用于仪器的核动力装置与核发动机不同，但处理危险材料的挑战依然存在。然而，这并非太空总署首次尝试利用核能进行太空旅行。在20世纪60年代，有一些项目曾试图为载人航天任务开发核动力，其中一个项目名为NERVA。
这份关于核发动机的入门指南并非详尽，但这些图示可能会有所帮助！
核能简史
美国在第二次世界大战期间通过曼哈顿计划开始探索核反应的威力。参与这项绝密政府项目的科学家们利用受控核链式反应的能量，将其制成炸弹，其中两枚被投在日本的广岛和长崎，以结束太平洋战场的战争。战后美国，科学家和工程师需要新的方法来利用他们对强大核反应的理解。
最早的想法之一是核动力飞机。其理念是，如果一架飞机由核反应堆而不是燃料驱动，它就能飞得更久，轻松地将炸弹运往世界任何地方。鉴于与苏联的冷战初现端倪，许多科学家认为第一个开发出核动力飞机的国家将主宰天空。另一个类似的早期核动力应用是核动力潜艇，这次是通过长时间潜航来主宰海洋。（我们知道，核动力潜艇最终被制造出来了。）
因此，美国陆军航空队于1945年开始研究核动力飞机。1951年，国家航空咨询委员会（NACA）开始探索自己的核项目，目标相同。NACA将其核项目交由位于俄亥俄州克利夫兰的刘易斯飞行推进实验室（现为格伦研究中心）负责，这在很大程度上是由于其靠近普拉姆布鲁克军械厂。这个曾在战争期间生产了十亿磅炸药的前军械厂拥有测试和运行核反应堆所需的部分基础设施。
1956年，NACA与原子能委员会（AEC）合作，批准建造试验反应堆，仍然以制造核动力飞机为目标。五年后，即1961年，该场地已从过去的用途中去污，不必要的建筑物已被拆除，反应堆已准备好达到临界状态，这意味着它已准备好维持核反应。但核动力飞机的梦想已经破灭。关于苏联即将研制出核动力飞机的传言被证明是不真实的，肯尼迪总统也失去了兴趣，因为“在可预见的未来实现军事上有用飞机的可能性仍然非常渺茫。”但他看到了这项技术的其他潜在用途。
核推进与太空竞赛
肯尼迪总统最常被引用的演讲之一可能是他1961年5月向国会发表的演讲。在那一天，他向全国发出挑战，要求“在本十年结束前，实现将人类送上月球并安全返回地球的目标。”较少被引用的是紧随其后的内容：“其次，额外拨款2300万美元，加上已有的700万美元，将加速“漫游者”核火箭的开发。这有望在未来为更激动人心、更具雄心的太空探索提供手段，也许是月球以外，也许是太阳系边缘本身。”
在承诺登月之后立即提及核火箭，这并不令人意外。太空竞赛是冷战的化身，而冷战本身是由苏联发展核武器所推动的。（是的，我知道这是一个非常简化的说法，但我们在这里不深入探讨冷战根源！）那么，为什么核火箭对太空飞行如此有吸引力呢？
早期太空时代的火箭——1961年，NASA为“水星”任务开发的“红石”和“阿特拉斯”火箭——是化学火箭。燃烧高度精炼的煤油和液氧产生了强大的反应，产生了足够的力量将火箭从地球送入太空。后来的“土星五号”等将宇航员送上月球的火箭也是化学火箭，其上面级使用液氢和液氧的混合物，效果相同。但尽管它们在发射瞬间具有强大的动力，化学火箭也有其局限性。虽然它们对于将火箭送离地面至关重要，但化学发动机产生的动力并不大。因此，如果你想用化学火箭去火星，你需要利用最佳的行星对齐。一个更好的所谓“发射窗口”可以让你获得一点引力助推，从而更快地到达那里，但这个窗口大约每两年出现一次。化学火箭的另一个问题是它们只能携带有限的燃料。在某个点上，燃料会重到无法起飞。因此，化学火箭很少有持续燃烧；通常，发动机燃烧以将航天器送入轨道，然后它滑行，直到发动机再次点火进行一些调整。
核推进解决了这些问题中的许多。它是一种更轻、因此更高效的替代方案。核反应堆不是燃烧数吨推进剂，而是通过分裂原子并在此过程中释放动能来产生能量，从而使这些发动机具有更高的比冲！好了，让我们稍微分解一下……
核发动机与化学发动机
对于火箭发动机来说，排气速度决定了推进效率：排气气体越轻，排气速度越高，排气速度越高意味着推力越大。如果核发动机的排气是氢气，最轻的元素，那么与相同温度下的化学火箭排气相比，其推力会非常高。化学火箭排气包含较重的元素，因此推力较小。
推力以比冲来衡量。简单来说，比冲意味着每磅推进剂产生一磅推力所需的时间（以秒为单位）。比冲的秒数越高，火箭的经济性和效率就越高。20世纪60年代的化学火箭的比冲在300到450秒之间。使用氢气的核火箭发动机的比冲在800到900秒之间。这意味着，具有轻质排气的核火箭的效率是化学火箭的两倍。这可以缩短行星之间的旅行时间，同时缩短宇航员暴露在太空辐射中的时间，以及他们因肌肉萎缩而在微重力中度过的时间。权衡的是宇航员与核动力装置的放射性部件的距离。这才是挑战所在。
尽管如此，科学家们在太空飞行早期就已经探索了这种潜力。在洛斯阿拉莫斯科学实验室，产出是“漫游者”项目，该项目最终并入NASA，并经历了三个开发阶段：Kiwi（1955年至1964年）、Phoebus（1964年至1969年）和Pewee（1969年至1972年项目结束）。1961年，NASA和AEC成立了一个联合办公室，称为空间核推进办公室。SNPO负责另一项核推进计划，该计划将借鉴洛斯阿拉莫斯学到的经验。以西屋电气公司和阿如杰特-通用公司为主要承包商，诞生了“火箭飞行器应用核发动机”，即NERVA。
NERVA
NERVA的科学家和工程师主要在俄亥俄州的普拉姆布鲁克基地工作，致力于开发能够承受太空发射的冲击和振动的实用火箭发动机。在1964年至1969年间，他们建造并测试了各种NERVA反应堆和火箭发动机，其高度从法兰顶部到喷口底部为20英尺。以下是其工作原理。（为简单起见，我们假设发动机是垂直的，燃料箱在顶部，喷口在底部。）
发动机的核心是反应堆，一个圆柱形芯体，由浸有铀-235燃料的石墨元件组成。在堆芯内部，铀原子裂变产生热量。将热量保持在原地的反射体由铍制成，完全包围着堆芯。反射体内部是同样由铍制成的冷却棒，但一面涂有硼。由于裂变的铀不断发出中子并反射回堆芯，热量得以维持，因此需要进行管理。转动带有硼一面的棒可以吸收中子并降低温度，最终停止反应。转动带有铍一面的棒则可以维持裂变反应。
为了携带更多燃料，氢气以超低温状态储存在发动机上方的液态中，温度为-420华氏度。氢气通过外部管线被泵入发动机喷口，但通过内部通道向上输送到喷口，并进入反应堆，在那里通过反射体中的小通道。这有两个作用：冷却发动机并加热氢气，使其在进入堆芯时呈气态。然后，氢气通过（涂有碳化铌以抵抗腐蚀的）通道，从顶部到底部穿过堆芯。通过这些通道时，氢气从裂变的铀中吸收热量，加热到约4000度。它通过排气喷口并膨胀，产生推力。
一条泄压管将部分氢气输送回涡轮泵，以保持发动机运行，使其成为深空任务中极其紧凑且强大的核火箭发动机。
尽管核堆芯有所有好处，但也存在问题。namely，高工作温度和极端的温度变化使得反应堆在建造和操作上都面临挑战。此外，船员居住在由带有核材料的火箭推进的航天器上，由于潜在的暴露风险，也带来了自身的问题。尽管如此，核推进在太空中的潜力是如此之大，以至于已经有计划将NERVA上面级安装到土星五号火箭上作为基座。将S-IVB第三级替换为NERVA，将比化学阿波罗任务在月球上着陆的有效载荷增加40%至75%。有了如此大的动力，前往火星将相对容易。
NERVA灭绝
到1968年，工程师们已经建造了足够的部件，可以制造出一种适合太空飞行的NERVA原型机，该原型机可以与现有助推器结合形成混合火箭。被称为“土星C-5N”的NERVA变型可以将标准“土星五号”的有效载荷从118,000千克增加到155,000千克，送入近地轨道。它本可以支持1980年载人火星任务，只需4个月的航行时间，而不是在最佳发射窗口下需要8到9个月。沃纳·冯·布劳恩设想了一个更大的任务：将12名乘员乘坐两枚由三台NERVA发动机推进的火箭前往火星，于1981年11月发射，并于1982年8月登陆火星。
这本可以成为比航天飞机早得多地降低载人任务发射成本和时间的金钥匙，而航天飞机试图实现但未能达到相同的目标。但阿波罗时代的太空宏伟梦想在20世纪70年代初破灭，当时尼克松政府取消了“土星五号”计划，并命令停止在普拉姆布鲁克进行的核活动。该场地于1973年通过一份手写备忘录被封存。
关于核推进和核材料在太空中的历史，还有很多可说之处，我能听到你们在喊“但是奥赖恩呢？！” 我肯定会在将来回到核主题，而且我地板上堆满了奥赖恩的文件等着我去读，所以请耐心等待。我只需要时间来一一阅读！
来源，除了博客正文中超链接的来源之外：Wired；洛斯阿拉莫斯实验室；肯尼迪图书馆；NASA的核前沿：普拉姆布鲁克反应堆设施，作者：Mark D. Bowles和Robert S. Arrighi。
