英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》周刊網(wǎng)站2月1日發(fā)表題為《為什么太空即將進(jìn)入核時(shí)代》的報(bào)道，全文摘編如下：

去年，俄羅斯摧毀了一顆報(bào)廢的衛(wèi)星，印度和美國(guó)也擊落過(guò)不運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。所有這些打擊目標(biāo)的行動(dòng)都讓世界擔(dān)憂，因?yàn)槿绻匾l(wèi)星被摧毀，人們的生活將面臨很多困難。因此，很多人希望下一代衛(wèi)星能夠擁有足夠的馬力躲避攻擊。

方案出爐

美國(guó)五角大樓認(rèn)為，答案在于以核動(dòng)力推進(jìn)衛(wèi)星。將有兩項(xiàng)計(jì)劃調(diào)研這一理念。第一個(gè)項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局領(lǐng)導(dǎo)，將測(cè)試一種名為“核熱推進(jìn)”的技術(shù)。國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局將與藍(lán)色起源公司、通用原子能公司和洛克希德-馬丁公司等美國(guó)企業(yè)合作，其航天器將攜帶一個(gè)小型核反應(yīng)器。在內(nèi)部，鈾原子將裂變，從而產(chǎn)生巨大的熱量。這些熱量將被航天器上貯箱中的液氫所吸收。氫(起始儲(chǔ)存溫度將低于零下253攝氏度)會(huì)隨著溫度的升高而迅速膨脹。當(dāng)熾熱的氣體從航天器后部的噴嘴中噴出時(shí)就會(huì)產(chǎn)生推力。

這樣的航天器可以在短短幾小時(shí)內(nèi)飛升至距地球近3.6萬(wàn)公里的對(duì)地靜止軌道。使用正常火箭燃料的衛(wèi)星進(jìn)行同樣的飛行需要好幾天時(shí)間。馬力十足的核動(dòng)力衛(wèi)星也難以摧毀，它們的軌跡可能經(jīng)常改變，以至于不可預(yù)測(cè)。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局希望2025年在軌道上測(cè)試其代號(hào)為“敏捷型地月空間行動(dòng)演示火箭”項(xiàng)目(DRACO)的航天器。鑒于人們從未在太空嘗試過(guò)核熱推進(jìn)技術(shù)，這是一個(gè)雄心勃勃的時(shí)間表。

第二個(gè)核項(xiàng)目由國(guó)防創(chuàng)新組織負(fù)責(zé)。2021年9月，它對(duì)有關(guān)核系統(tǒng)推進(jìn)衛(wèi)星或者為衛(wèi)星上電子設(shè)備供電的方案發(fā)起招標(biāo)。提出方案的公司需要滿(mǎn)足幾個(gè)條件：避開(kāi)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)在研究的核熱推進(jìn)技術(shù)、能夠在3到5年內(nèi)制造出樣機(jī)、一個(gè)可靠的太空測(cè)試計(jì)劃。

國(guó)防創(chuàng)新組織收到了數(shù)十份標(biāo)書(shū)，其中前兩名獲獎(jiǎng)方案將于本月晚些時(shí)候宣布。領(lǐng)導(dǎo)國(guó)防創(chuàng)新組織項(xiàng)目的瑞安·威德說(shuō)，提交的標(biāo)書(shū)有不同類(lèi)別。有些方案要加裝核反應(yīng)器，但不是為了加熱液氫，而是將這些熱量用來(lái)發(fā)電，然后被用于氙等推進(jìn)劑氣體。這將為離子充電，隨后在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，離子會(huì)從噴嘴中噴出，產(chǎn)生推力。

離子推進(jìn)器并不是新點(diǎn)子，但核反應(yīng)器為其提供的電力可能比大型太陽(yáng)能電池組提供的電力要多得多。沒(méi)有太陽(yáng)能電池板的衛(wèi)星(可有效用于軍事目的)也會(huì)更難被敵人跟蹤和破壞。

許多核電力推進(jìn)的設(shè)計(jì)方案要求發(fā)生與地面核電站相同的原子裂變過(guò)程。太空設(shè)備至少重一噸，因此只能為大型衛(wèi)星提供動(dòng)力。

其他方案是關(guān)于放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)的。長(zhǎng)期以來(lái)，這種“核電池”一直被用來(lái)為發(fā)射到深空的探測(cè)器提供動(dòng)力，那里的太陽(yáng)能尤其微弱。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)不建造核反應(yīng)器，而是使用被稱(chēng)為熱電偶的裝置以放射性同位素衰變所釋放的熱量產(chǎn)生適度的電能。作為武器研發(fā)的副產(chǎn)品，钚-238已經(jīng)被美國(guó)國(guó)家航空航天局用于為20世紀(jì)70年代發(fā)射、目前仍在運(yùn)行的“旅行者”號(hào)探測(cè)器以及目前在火星上巡行的“好奇”號(hào)火星探測(cè)器提供動(dòng)力。

然而，钚-238受到嚴(yán)格管制，而且供應(yīng)短缺。由于它的半衰期為87.7年，由放射性衰變產(chǎn)生的熱量會(huì)擴(kuò)散很長(zhǎng)時(shí)間。因此，威德說(shuō)，國(guó)防創(chuàng)新組織正在尋找半衰期更短、“熱力密度高得多”的替代品。鈷-60的半衰期為5.3年，是一個(gè)很有希望的替代品，在商業(yè)上也是可行的。威德希望放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)能為衛(wèi)星推力和機(jī)載電子設(shè)備提供電力，這些衛(wèi)星的體積與洗衣機(jī)差不多大小。

安全為先

然而，將核裝置、尤其是反應(yīng)器送入太空有多安全?國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局項(xiàng)目的牽頭人內(nèi)森·格雷納說(shuō)，他經(jīng)常會(huì)被問(wèn)到的一個(gè)擔(dān)憂是“敏捷型地月空間行動(dòng)演示火箭”項(xiàng)目航天器在發(fā)射臺(tái)上可能發(fā)生爆炸的情況。他說(shuō)，這樣的事件不會(huì)比常規(guī)航天器的爆炸構(gòu)成更大的危險(xiǎn)，因?yàn)榉磻?yīng)器那時(shí)不會(huì)啟動(dòng)，其鈾燃料不會(huì)構(gòu)成輻射危害。

更大的問(wèn)題是核反應(yīng)器是否會(huì)墜海。水可以促使核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的開(kāi)始，在這種反應(yīng)中，鈾原子裂變釋放出中子，從而進(jìn)一步分裂鈾原子。如果不加控制，這種連鎖反應(yīng)就會(huì)爆炸。因此，“敏捷型地月空間行動(dòng)演示火箭”項(xiàng)目在構(gòu)造時(shí)便令用硼制成的“毒絲”即使在浸入水中時(shí)仍留在原位。硼被用于核反應(yīng)器，以緩和甚至阻止核裂變。

另一個(gè)危險(xiǎn)是衛(wèi)星意外重返大氣層。蘇聯(lián)至少發(fā)射了33顆裝有核反應(yīng)器用于艦載電力(而非推進(jìn))的間諜衛(wèi)星。在一次事故中，“宇宙-954”號(hào)衛(wèi)星上的反應(yīng)器未能在任務(wù)結(jié)束時(shí)升入足夠高的“墓地軌道”。1978年，它最終在加拿大西北部大片領(lǐng)土上傾灑了放射性碎片。“敏捷型地月空間行動(dòng)演示火箭”項(xiàng)目首席工程師塔比塔·多德森說(shuō)，為避免類(lèi)似事故，國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的核反應(yīng)器不會(huì)進(jìn)入低軌道。

最近人們對(duì)太空核能的興趣高漲，這可以直接歸因于工程師利用計(jì)算機(jī)模擬反應(yīng)器設(shè)計(jì)的能力有所提高。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們認(rèn)為，要把核反應(yīng)器安裝在火箭上，就需要使用高度濃縮的鈾-235燃料，這種鈾同位素很容易裂變。例如，蘇聯(lián)“宇宙-954”號(hào)衛(wèi)星的核燃料為90%豐度的濃縮鈾，與1945年在廣島上空引爆原子彈時(shí)使用的材料類(lèi)似。

因此，鑒于這種燃料具有令人擔(dān)憂的雙重用途可能性，科學(xué)家不得不在建造核反應(yīng)器時(shí)應(yīng)對(duì)繁瑣的官僚作風(fēng)、長(zhǎng)時(shí)間的拖延以及巨額成本。參與“敏捷型地月空間行動(dòng)演示火箭”項(xiàng)目的分包商、總部位于美國(guó)西雅圖的超安全核技術(shù)公司工程負(fù)責(zé)人邁克爾·伊茲說(shuō)，即使一切順利，衛(wèi)星也要“有大量警備”保衛(wèi)。

但近年來(lái)，更好的計(jì)算機(jī)建模使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出以豐度不足20%的濃縮鈾-235作為燃料的反應(yīng)器。這遠(yuǎn)低于武器級(jí)別，因此政府的限制不會(huì)那么繁瑣。

玩家眾多

在探索研發(fā)核能方面，美國(guó)并不孤單。俄羅斯等國(guó)也在發(fā)展太空核能。有關(guān)的目標(biāo)清單包括建立一支核動(dòng)力航天飛機(jī)艦隊(duì)。俄羅斯正在設(shè)計(jì)一款名為“宙斯”的電推進(jìn)貨運(yùn)飛船，該飛船將使用核反應(yīng)器提供動(dòng)力。俄羅斯國(guó)家航天公司希望在2030年發(fā)射該飛船。

毫無(wú)疑問(wèn)，衛(wèi)星性能更強(qiáng)大的前景將在航天國(guó)家中引發(fā)猜疑。具有豐富電能的核航天器可用于干擾衛(wèi)星通信。總部設(shè)在圣彼得堡、研究“宙斯”項(xiàng)目和另一艘被稱(chēng)為“埃基帕日”核太空船的俄羅斯軍火庫(kù)設(shè)計(jì)局在文件中，提到利用大型天線向一個(gè)區(qū)域發(fā)射大量電磁信號(hào)的可能性，這或可壓制通訊衛(wèi)星正常發(fā)送和接收的相對(duì)較弱的無(wú)線電信號(hào)。

這種擾亂也許引發(fā)了人們的關(guān)注。在2019年的一份備忘錄中，美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)唐納德·特朗普宣布核動(dòng)力太空系統(tǒng)對(duì)美國(guó)在太空的主導(dǎo)地位“至關(guān)重要”。在那次行動(dòng)以及隨后的總統(tǒng)行動(dòng)中，特朗普簡(jiǎn)化了監(jiān)管規(guī)定。喬·拜登總統(tǒng)沒(méi)有改變路線，這推動(dòng)了政府和私營(yíng)部門(mén)隨后的研發(fā)。

不僅如此，對(duì)核能的興趣并非全都來(lái)自軍方。熱切希望其宇航員登陸火星的美國(guó)航空航天局目前正在研究反應(yīng)器電力推進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也在研究開(kāi)發(fā)核熱推進(jìn)技術(shù)的項(xiàng)目。后一種系統(tǒng)被命名為“功率調(diào)整演示火星引擎”，其樣機(jī)定于2026年進(jìn)行測(cè)試。

“功率調(diào)整演示火星引擎”的重量約為3.5噸，一旦進(jìn)入軌道，將能夠在大約15分鐘內(nèi)把一艘大型航天器加速至每秒12公里的速度。這種飛行器能夠在不到6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)火星，比化學(xué)燃料推進(jìn)的時(shí)間少3個(gè)月。美國(guó)航空航天局希望在本世紀(jì)30年代執(zhí)行可能的火星貨運(yùn)任務(wù)時(shí)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

到本世紀(jì)20年代末，美國(guó)航空航天局還希望建立一個(gè)核電站來(lái)為月球上的基地提供動(dòng)力。有關(guān)建設(shè)一個(gè)10千瓦級(jí)“裂變表面能”設(shè)施的方案將于2月中旬提交給美國(guó)航空航天局。

所有這一切都意味著，太空正在以各種各樣的方式進(jìn)入核時(shí)代。