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空间核热推进技术是指利用反应堆堆芯的热量直接加热输送到反应堆内的推进剂(一般是氢气),再使之从喷嘴膨胀喷出,从而产生推力推动航天器的技术。美国和俄罗斯上个世纪都曾对空间核热推进技术开展大规模的研究开发,取得了巨大的技术成果,达到了较高的技术成熟度。
美国上世纪90年代以来开展空间核技术实验研究的规模较小,力度较弱。最近,在包括核热推进在内的多种先进推进系统开发上,美国都加大了力度。目前,美国航空航天局(NASA)和能源部(DOE)的多家实验室正着手开展核热火箭(NTR)及相关部件的实体试验,近期工作的重点将是为设想中的2020年左右开展可缩放核热火箭地面试验与飞行试验做准备。再下一步的目标则是开发一种核火箭发动机,用于载人小行星探索以及最终的载人火星探索。
着力开展五项工作推动核热推进技术开发
美国在核热推进领域具备广泛的历史试验基础。目前,适于载人用途的现代NTR的开发工作属于NASA 2011财年预算“先进太空推进”下的“探索技术开发与示范计划”。为了启动研究,NASA将把重点放在五项任务上,为地面技术示范做准备。
第一项任务是概念建设。NASA将根据NTR的当前状况,确定除了目前规划的工作外,还需开展哪些工作才能把技术推动到可接受的水平上。该项工作将成为实体试验的指导原则,并确定试验活动的优先排序,从而将开展研究的回报最大化。其关注的是如何把一个可地面测试的NTR放大(或缩小)成为可以飞行测试并用于载人任务的NTR。
第二项任务将是对现代NTR使用的堆内材料开展详细的评价。NASA将在上世纪70年代开展的广泛研究的基础上开发一种新的燃料制造系统并完成大量试验以选择最终燃料形式。目前竞争的两种燃料是1970年代为NTR开发的NERVA石墨燃料以及一种晚近开发的钨金属陶瓷燃料。这两种燃料都包含铀,能承受2500 K以上的温度以及发射时的应力。为了理解燃料在各种条件下的行为,NASA正在马歇尔空间飞行中心建造试验设施“NTR元件环境模拟器”,从而为燃料开发提供至关重要的非核试验。
第三项任务是对可地面测试的NTR开展核与热流体方面的概念分析。这项分析能够得出用来设计和建造NTR的计算机模型,还能在实体原型装置建成以前发现和纠正绝大部分的概念问题,从而大幅度地节省经费。这一领域针对现代NTR的许多工作已经完成,计算机代码涵盖的范围和可用的专业经验都很广泛。
第四项任务将是开发NTR试验设施。该设施将采用“地表以下主动过滤排气”(SAFE)方案。该方案将利用内华达试验场的地下钻井,与上世纪70年代的开放空气试验方法不同,将把NTR的排气喷到地下钻井中。由于反应堆运行时间短,放射性裂变产物数量已经很低,但SAFE方案还将对冷却剂流体中产生和释放的放射性产物给予更有力的控制。为启动SAFE试验设施开发,NASA将在钻井开展热气注入试验,以达到冲积层(多孔岩石)滞留和过滤放射性材料的效果。
最后一项任务是制定在地面试验和飞行试验完成后NTR开发的概念计划。该计划的目的是保持NTR的技术水平,从而使系统在多年后保持可用。
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