2023年1月，NASA和DARPA宣布將聯合開展“敏捷地月空間驗證火箭”(DRACO)計劃，總經費預算為4.99億美元。

這項計劃最值得關注的地方，在于它將搭載航天飛行器X-NTRV，進行世界首次核動力火箭的在軌飛行。

X-NTRV的概念想象圖

(資料圖)

該項目中，由美國國家航空航天局（NASA）負責研制基于核熱火箭發動機的新型推進系統，美國國防部預先研究計劃局（DARPA）負責在X-NTRV航天器上集成核熱推進系統，美國天軍負責航天器發射。NASA希望通過使用核熱推進技術縮短前往火星的時間，美軍則希望提高在地月空間機動能力。

目前以洛馬為首的多企業團隊，正在與NASA和DARPA合作，研發可重復使用的X-NTRV核熱推進（NTP）航天器，并計劃在2027年實現太空飛行。

負責該項目的DARPA主任Stefanie Tompkins在公開采訪中表示，太空領域對于現代商業、科學發現和國家安全至關重要。通過DRACO核熱火箭計劃，實現空間技術跨越式進步的能力，對于更有效更快速地將材料運送到月球并最終將人類運送到火星至關重要。

一種HALEU核燃料

DRACO計劃以美國早年的核動力火箭研究（比如NERVA計劃）作為基礎。出于防止擴散等因素，新的核動力火箭沒有使用高濃縮鈾作為燃料，而是采用了高含量低濃縮鈾（HALEU）。鈾原料由美國能源部提供，而洛馬團隊之一的BWX科技公司負責開發核反應堆并制造燃料。

為了減少項目的潛在風險，搭載核動力火箭發動機的X-NTRV將由美國空軍的常規化學燃料火箭發射升空，直到進入預定軌道以后才會啟動反應堆。

01誘人的性能前景

核燃料中蘊含的核能，遠遠高于常規燃料中的化學能。在設計合理得當的前提下，通過核反應堆釋放能量、將推進劑加熱成高溫高速噴流的核動力火箭，可以獲得遠超化學能火箭的性能。通常認為核動力火箭的總體效率，可以達到化學能火箭的2—5倍。

以衡量火箭性能的關鍵指標“比沖”為例：

在現有的技術能力條件下，固體燃料堆芯的核熱火箭，可以將作為工質的氫加熱到2000~3000K的溫度，實現800~1000秒的比沖。而在一些理論計算結果中，核火箭在反應堆中裂變物質處于氣相（實際上是等離子體態）的情況下，可以將作為工質的氫加熱到6000K的高溫（但現在沒有材料和結構能承受），從而獲得高達2000秒的比沖。

化學燃料火箭的典型結構原理

核熱火箭發動機的典型結構原理

液氫/液氧火箭的比沖，最大通常也只有455秒左右——這基本達到了化學能火箭的性能極限。即使是堪稱“喪心病狂”的液氫/液氟燃料組合，在付出了不可接受的毒性、腐蝕性、成本代價后，比沖甚至還不到480秒。

在現有的理論框架支持下，只有基于金屬氫燃料的火箭，其理論性能潛力可以接近核火箭，極限比沖可以達到1700秒左右。但就連“金屬氫能否在常壓常溫下存在”這個最基本的問題，現在都沒有確定的答案，金屬氫燃料火箭的實用化前景也就無從談起。

相對于化學燃料火箭，要實現性能上質的突破，可見未來內只有核熱火箭是可行的技術路徑。

02為何至今未實用化？

核動力火箭并不是一種新鮮的想法。利用核能上太空的幻想和預言出現在20世紀初期，在50年代就進入了實質性研發和地面試驗驗證階段——特別是美國和蘇聯。但在20世紀70年代初到80年代初的十余年中，美國和蘇聯先后放緩甚至是完全停止了核動力火箭的研究；直到今天，全世界范圍內都沒有實用化的核動力火箭。

總體來說，核動力火箭自20世紀70—80年代以來的實用化受阻，主要源于以下幾個因素：

美國冷戰時期研究的NERVA核火箭發動機

首先，核動力火箭在技術上存在遠大于化學燃料火箭的障礙。包括但不限于材料、冶金、熱工、材料強度、輻照穩定性、振動穩定性、試驗技術、測量技術......在大量的關鍵領域，核動力火箭均遭遇了在當時難以解決的困難——很多技術難關在今天依然非常棘手。

其次，化學燃料火箭發動機在二戰結束以后的快速進步，使它們足以廉價、可靠、迅速地承擔起所有從地表到近地空間范圍內的進攻/防御需求；這導致核火箭在軍用領域完全失去競爭力，軍隊也不再關心和投入資源。

軍事需求的削弱，使核動力火箭的應用更依賴于非軍事目的的航天科研項目。隨著登月競爭中的失利，以火星為目標的太陽系行星間載人飛行計劃，已經成為了核動力火箭唯一的需求依托。

20世紀60—70年代重型航天火箭的“核/化學”路線之爭，以“土星五號”登月為標志，宣告化學燃料路線取得了無可置疑的勝利。

在70年代初，由于登月計劃和越南戰爭帶來的經濟重負等一系列原因；美國的核火箭發動機計劃不斷收縮，并在1973年停止，相關試驗臺架和生產設施也被封存。在80年代初，蘇聯也意識到“在未來幾十年。將核火箭發動機作為空間飛行器的主噴氣發動機是不可能的。”

最后，環保壓力同樣是不容忽視的因素。實事求是地說，直到現在為止，空間核裝置在演練和運行時的輻射安全問題都是缺乏有效保障的——比如一旦火箭在升空過程中爆炸，沒有任何辦法能阻止大量核燃料粉塵向大氣層中不受控制地擴散彌漫。

切爾諾貝利等一系列嚴重核事故之后，對于安全和環保的顧慮，已經成為核火箭發展的最大阻礙

在20世紀50—70年代，針對核污染的擔憂，在各國還沒有形成足夠強的輿論和政治力量，自然也并沒有對核火箭的發展形成顯著性的影響。但在20世紀80年代以后就完全不同了，切爾諾貝利核電站事故就對蘇聯政局形成了極大的沖擊，并直接導致蘇聯核火箭發動機研究工作無限期停滯。

03結論

航空航天技術、核技術在近幾十年中的高速發展，實際上已經掃除了核動力發展的絕大部分障礙，這也是DRACO計劃得以實施的基礎。但是核裝置本身特殊的運行維護要求、一旦遭遇災難性所引發的污染后果，都意味著極為昂貴和沉重的經濟成本、政治風險代價，實際上在20世紀80年代之后，這些非技術性的因素，才是阻礙核動力火箭發展并走向實用化的最主要原因。

從現有的航天需求來看，核動力火箭真正能體現出巨大優勢的任務背景，只能是載人飛向火星。兩個行星間的距離是如此遙遠，只有核動力火箭才能獲得更為靈活的發射時間和地點選擇余地，并攜帶更大的載荷，用更短的時間（這意味著更少的途中物資消耗）完成飛行過程，其獲得的性能收益遠遠超出涉核所帶來的高額代價和風險。

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