NASA和DARPA保證其核火箭發動機故障概率小符合現有規定
在今年早些時候與美國國防部高級研究計劃局(DARPA)合作開發核火箭發動機之後,這兩個機構的官員、主要承包商洛克希德-馬丁公司(Lockheed Martin)和BWXT技術公司(BWXT Technologies)分享了有關核反應堆的重要細節。該反應堆是兩個機構的DRACO 計劃的一部分,該計劃將在太空中測試基於核反應堆的火箭。根據DRACO 計劃,NASA 負責開發核發動機,而DARPA 將負責任務的其他方面。
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美國國家航空航天局(NASA)和DARPA 於今年1 月聯合宣布,計劃在2027 年進行核火箭試飛。該火箭將使用一個小型反應堆和氫氣來加熱後者並產生推力。該協議被稱為”敏捷星月運行示範火箭”(DRACO),NASA將負責發動機和火箭的研發,而DARPA將負責核熱火箭實驗飛行器(X-NTRV)的研發。
他們選擇洛克希德-馬丁公司作為該火箭及其發動機的主要承包商,該發動機將使用鈾來展示推進力。美國國家航空航天局核技術組合經理史蒂夫-卡洛米諾博士解釋說,DRACO任務的主要方面是測試發動機上複雜的渦輪機械設備,了解反應堆的性能,操縱發動機的性能,使其啟動、重啟和實現節流。測試的目的是收集數據,以驗證美國宇航局的地面模型。這些模型將為航天局提供”工程學基礎”,以了解核推進和火箭在火星旅行中能發揮什麼作用。
DRACO 試驗的一個關鍵限制是選擇氫作為燃料。傳統火箭發動機使用液氧作為氧化劑來燃燒煤油等燃料,而核動力發動機將利用反應堆的熱量把低溫氫加熱到高溫。因此,氫氣是試驗的限制因素,因為DRACO 火箭的性能將受到DARPA 和NASA 在軌道上保持氫氣冷卻時間的限制。不過,氫氣的質量也有很大優勢,因為它的密度比傳統火箭燃料小。DARPA 火箭的試驗將包括兩千公斤氫和一百公斤鈾。
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美國國家航空航天局的火星運輸棲息地(MTH)效果圖。MTH 是一個獨立的項目,與DRACO 發動機無關。圖片美國國家航空航天局
數據對NASA 來說是一項重要的資源,因為它能讓NASA 和國防部證明投資的合理性,使反應堆的溫度足以收集可靠的數據。DARPA 的DRACO 項目經理Tabitha Dodson 博士介紹說,NASA 在20 世紀末的NERVA 核動力火箭項目相當先進,在地面測試了發動機之後,每年都要製造三個反應堆。
DARPA 對核動力發動機在發射前在地面保持安全的能力非常有信心。美國國家航空航天局(NASA)也有同感,卡洛米諾博士詳細解釋了飛行和燃料選擇所涉及的風險:
我們提到過放射性同位素系統。我想說明的是,裂變系統不是放射性同位素系統。它們有非常非常大的不同。放射性同位素系統從準備裝入發電機到裝入有效載荷,再到放在發射台上,都具有放射性。钚基本上就是一種放射性物質。鈾235 在沒有經過裂變和被放射性產品包圍的情況下,基本上是一種金屬。如果在發射過程中或發射台上發生事故,可能產生的碎片並不比渦輪機械產生的碎片更糟糕,渦輪機械也可能在這種事故中或其他地方散落。只是,在那個時間點上,它並不是放射性物質。
多德森博士談到了這種事件發生的概率,並發表了評論:
我想在這裡再補充一點。安東尼提到了一種我們認為幾乎不可能發生的事故情況。這種可能性微乎其微。我們必須考慮事故發生的各種可能性。因此,在很多情況下,反應堆可能會自動開啟,例如,如果它掉進水里,這種想法是臆想出來的。因為這種可能性非常低,即使發生了事故,向公眾釋放的放射性物質也是微乎其微的。這也符合NSPM-20的要求,在電話會議中已經提到過。因此,有數據表顯示,只要你幾乎不可能發生事故或向公眾釋放極微量的輻射,因此基本上處於本底輻射水平就可以進行發射。因此,DRACO 已經對所有可能發生的事故進行了初步分析,發現我們的事故概率很低,釋放量也很小。
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羅爾斯-羅伊斯公司打算在月球上使用的核反應堆的設計概念。
至於發動機本身,它使用的是標準膨脹機循環,這使得氫氣很可能首先被加熱,然後用來為渦輪機械提供動力。卡洛米諾博士解釋說,產生推力需要在一秒鐘內將開爾文20度的氫氣加熱到2700度,然後將加熱後的氫氣從發動機噴嘴中噴出。美國國家航空航天局研究了地面測試的成本,這些成本高於在太空中進行測試的成本。主要的成本驅動因素是捕獲發動機的流出物,以及需要確保裂變產物不會釋放到大氣中。
雖然有可能在地面上實現這一目標,但這需要花費太多的金錢和時間;然而,據美國宇航局的投資組合經理稱,如果該機構希望用核動力發動機將貨物和人類運往火星,地面測試將是必要的。
試驗的軌道範圍在700 公里到2000 公里之間,反應堆的製造商BWXT 解釋說,該公司已經證明有能力製造反應堆的材料和部件。