美国DRA5方案中的载人火星飞行器
随着美国国家航空航天局和埃隆·马斯克对火星探索的野心不断“膨胀”，穿越太空，进行远程载人任务正一步步靠近。
但是始终有一个悬而未决的问题横亘在人类面前，那就是火箭动力问题。虽然经过几十年的发展，火箭的推力和推重比仍然无法实现跨越式进步。
有很多理由表明，更快的宇宙飞船是更好的，核动力火箭是实现这一目标的一种方式。与传统的化学燃料火箭或现代太阳能电力火箭相比，核动力火箭有许多优点，其无论是在动力方面还是续航力方面，都有着传统火箭无法比肩的优势。
但在过去40年里，强如美国也只进行了8次搭载核反应堆的太空发射。
为什么需要速度？
太空旅行的第一步是使用火箭将飞船送入轨道。当人们想到火箭发射时，就会想到大型火箭发动机，“点火”口令下达后，它们拖曳着长长的火舌奔向天空。由于地球引力的束缚，它们在可预见的未来不太可能消失。
一旦飞船到达太空，事情就变得有趣了。为了逃离地球的引力并到达深空目的地，飞船需要额外的加速度。
宇宙浩渺，一切都很遥远。如果宇航员想要到达火星甚至更远的任何地方，为了在尽可能短的时间内到达，速度是唯一可以改变的量。
更快的火箭更适合长距离太空旅行有两个原因:安全和时间。
宇航服
去火星旅行的宇航员将暴露在非常高的辐射水平下，这会导致严重的长期健康问题，如癌症和不育。
作为一种材料保护措施，利用辐射与物质的作用，辐射屏蔽可以降低辐射水平，减少人体受到的辐射，但是它非常重，而且任务时间越长，需要的屏蔽就越多。相比之下，减少辐射暴露是一个更好的方法，这就要求更快地到达你要去的地方。
土星五号火箭有110米高，大部分都是燃料箱
人类安全并不是唯一的好处，随着人类向更远的太空探索，尽快从无人任务中获取数据是很重要的。旅行者2号花了12年时间才到达海王星，从它飞过时拍下了一些令人难以置信的照片。
海王星上的云层，旅行者2号拍摄
如果旅行者2号有一个更快的推进系统，天文学家可能早在几年前就有了这些照片和其中包含的信息。
当今的系统
一旦一艘船脱离了地球引力，在比较任何推进系统时，有三个重要方面需要考虑:
推力——系统推进能提供的动力，决定了整体的加速度
质量效率——在给定的燃料量下，推进系统能产生多少推力
能量密度——给定量的燃料能产生多少能量
长征火箭家族主要成员
今天，最常用的推进系统是化学推进系统——即常规燃料火箭，和太阳能电力推进系统。
化学火箭能提供很大的推力，但是化学火箭的效率不高，而且火箭燃料也没有那么高的能量密度。
将宇航员送上月球的土星五号携带了95万加仑的燃料，在发射时产生了3500万牛顿的推力。虽然大部分燃料被用于将火箭送入轨道，但局限性是显而易见的:需要大量燃料才能到达任何地方，这也直接导致化学火箭的体积、重量居高不下。
第一枚核热火箭建造于1967年
电力推进系统利用太阳能电池板产生的电力产生推力。最常见的方法是使用电场来加速离子，比如在霍尔推进器中，磁场产生的电场将带电离子进行加速，形成等离子体射流，高速喷出，以此推动飞船前进。
这些装置通常用于为卫星提供动力，质量效率比化学火箭高五倍以上。但它们产生的推力要小得多——大约3牛顿，需要大约三个小时实现汽车从0-30千米/小时加速。
霍尔推进器
从表观层面考量，太阳能是无限的，但是随着飞船离太阳越来越远，太阳能密度会越来越小，太阳能火箭发动机上的太阳光抛物面反射镜聚焦器获得的热能严重不足。
核动力火箭有希望继承衣钵的原因之一是因为核燃料有着难以置信的能量密度。核反应堆中使用的铀燃料的能量密度比肼高400万倍，肼是一种典型的化学火箭推进剂。将少量铀送入太空要比几千立方的燃料容易得多。
核动力火箭的两种选择
工程师们为太空旅行设计了两种主要的核动力系统。
核热发动机简图
第一种叫做核热推进系统。这个系统非常强大，而且效率适中。使用一个小型核裂变反应堆——类似于核潜艇上的反应堆——来加热工质，比如氢气，然后这种气体通过一个火箭喷管高速喷出，以提供推力。
核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多——也就是说，在推进剂质量相同的情况下，它们产生的推力是化学推进系统的两倍——并且可以提供100，000牛顿的推力，这足以让一辆车在大约一秒内从0加速到到100千米每小时。
美国RL10发动机
目前，就化学火箭而言，氢氧发动机的比冲最高，作为比冲最高的氢氧发动机，美国的RL10B-2发动机比冲可达462.5秒，而核热火箭发动机可达900-1000秒，是氢氧发动机的二倍。
第二个基于核反应堆的火箭系统叫做核电火箭。应用于航天的核能发电系统尚未建成，但其想法是使用高功率裂变反应堆来发电，然后由霍尔推进器等电力推进系统提供动力。
核电火箭的效率更高，大约比核热推进系统高三倍。由于核反应堆可以产生大量的能量，许多独立的电力推进器可以同时运行，产生大量的推力。
核电系统将是超远程任务的最佳选择，因为它们不需要太阳能，效率非常高，并能提供相对较高的推力。但是，尽管核能火箭极具应用前景，但在投入使用之前，仍有许多技术问题需要解决。
为什么还没有核动力火箭？
自20世纪60年代以来，美苏冷战期间已经对核热推进系统进行了研究，美国的NERVA和苏联的RD-0410发动机都成功进行了试验。
美国NERVA核热发动机
尤其是美国的NERVA发动机，反应堆功率从最初的70MW增加到1100MW级别，并最终达到4000MW级别，理论上可产生1200吨的真空推力，可见美国的核热火箭发展野心。
时间来到上世纪70年代，美国首次实施的法规要求多个政府机构对任何核空间项目进行逐案审查和批准，并得到总统的明确批准，由于存在种种安全问题无法解决，难以过审成为核动力火箭发展的瓶颈之一。
其次，阿波罗登月之后，美国拔剑四顾心茫然，核火箭研究值万钱，捉襟见肘的科研经费早已见底，无力继续，NERVA项目不得不于1972年同美国原子能委员会一起解散。
特朗普政府在2019年8月发布总统备忘录，这一切似乎将要改变。在坚持尽可能保证核发射安全的同时，新法规允许核材料含量较低的发射任务跳过多机构审批程序，只有赞助机构，比如美国国家航空航天局，需要证明任务符合安全建议。但是更大的核任务仍然会像以前一样经历同样的审批流程。
随着法规的修订，NASA在2019年的预算中获得了1亿美元用于发展核热推进系统。美国国防部高级研究计划局还在开发一种空间核热推进系统，以实现地球轨道以外的国家安全行动。
在经历了60年的停滞后，一枚核动力火箭有可能在十年内进入太空。这一激动人心的成就将开创太空探索的新时代。人们将去火星，科学实验将在我们的整个太阳系和更远的地方做出新的发现。
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