自从马斯克的SpaceX接连不断取得成功后，全世界范围内的航天创业者们的热情纷纷被调动起来了。据不完全统计，仅仅在中国就已经有超过20家的民营商业火箭公司注册成立，涉及商业航天的企业更是早已超过百家。
不过，在庆幸有更多人纷纷抬头关注星空的同时，我们也需要认识到，以商业目的为导向的航天创业潮给整个航天工业带来更多是全产业链增效减价，至于能否带来整个航天技术范式的变革还需要留个问号。
的确，在如今的航天工业领域，模块化、批量化、快速迭代以及大量使用商业化组件等理念已经成为共识。但就在火箭动力选择这一触及航天工业最根本的问题上，商业航天带来的也仅仅是使过去未曾受到重视的甲烷系发动机有了“第二春”，其效率仍没有较现有发动机的能力有质的飞跃。
以火星探测为例，之所以每隔两年多的时间才会出现一个所谓的“最佳时间窗口”，就是因为地火之间的近距离约为5,500万公里，最远距离则超过4亿公里。需要等到两者之间距离较近时进行发射，本质是以时间换空间的无奈之举。但即便这样，在现有化学动力发动机的条件下，离开地球的航天器也需要6个月左右的时间才能到达环绕火星的轨道。
因此，几十年来，许多火箭科学家都把以核反应堆为动力的推进系统视作下一代的高效航天动力，期望其能驱动各类航天器更快地到达火星和太阳系的其他地方。
核能初尝试
二战后，纳粹德国知名火箭工程师冯·布劳恩（Wernher von Braun）投奔美国。在与苏联进行太空竞赛的过程中，他的土星五号火箭首次将人类送上月球，不仅一举扭转美国在竞争中的劣势地位，更是直接为NASA接下来几十年的辉煌打下根基。
不过，早在阿波罗工程之前，冯·布劳恩就已经认识到了核能推进的潜力。最终，还催生出了一个名为“核动力火箭发动机应用”（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application，NERVA) 的项目。
NERVA是一项核热火箭发动机研制计划，大约持续了20年。其主要目标是“建立核火箭发动机系统的技术基础，用于设计和开发太空任务应用的推进系统。”该计划是由美国原子能委员会（AEC）和美国国家航空航天局（NASA）合作的产物，由空间核推进办公室（SNPO）管理，直到1973年1月该计划结束。
NERVA起源于“流浪者计划”（Project Rover），这是一个AEC在洛斯阿拉莫斯科学实验室(LASL)开展的研究项目，最初的目的是为美国空军的洲际弹道导弹提供核动力末级。
1958年NASA成立后，“流浪者计划”作为一个民用项目继续进行，并调整方向，为NASA的土星五号火箭生产核动力末级。反应堆在被运往内华达州试验场的Jackass Flats之前，以极低的功率进行了测试。而LASL则专注于反应堆的开发，NASA制造并测试了完整的火箭发动机。
AEC、SNPO和NASA认为NERVA是一个非常成功的方案，因为它达到或超过了方案预期目标。核热火箭发动机证明了核热火箭发动机是一种可行的、可靠的太空探索工具，1968年底，SNPO证明最新的核热火箭发动机XE符合人类火星任务的要求。
甚至NASA还对NERVA制定了宏远的规划，包括1978年前访问火星，1981年前建立永久的月球基地，以及对木星、土星和外星球的深空探测。此外，NERVA火箭将用于核“拖船”的一个组成部分，将有效载荷从近地轨道（LEO）带到较高的轨道上，为绕地和绕月的几个空间站提供补给，并支持一个永久性的月球基地。
虽然出于环保的考虑，NERVA发动机的制造和测试都尽量采用经过飞行认证的部件，而且发动机被认为可以集成到航天器上，但NASA还是宣布终止NERVA。经过17年的研发，NERVA项目已经花费了约14亿美元，可惜直至被尼克松总统取消前，它们从未在太空中飞行过。
不过，NERVA计划的终结不意味着太空核能的末日。考虑到核能相较于化学动力的高比冲优势，深空探索计划一般都会想起核火箭发动机，所有以核火箭发动机为特色的航天器概念也都使用NERVA的衍生设计。
1983年，美国知名的“星球大战”计划确定了一些只能由比化学火箭更强大的火箭来承担的任务。1983年2月，一个名为SP-100的核推进项目成立，目的是开发100KW的核火箭系统。从1987年到1991年，该项目得到了1.39亿美元的资助。
1991年10月，该项目转入空军菲利普斯实验室的空间核热推进（SNTP）计划。但NASA后认为SNTP与NERVA相比没有足够的改进，而且也不是任何太空探索计划任务所需要的。于是，在花费了2亿美元后，SNTP计划于1994年1月终止。
2013年，NASA的马歇尔航天中心（MSFC）研究了一种从地球轨道到火星轨道再返回地球的星际旅行发动机，重点研究了核热火箭（NTR）发动机，由于NTR的效率至少是最先进的化学发动机的两倍，因此可以以更短的轨道转移时间运送更多的货物。
在地球前往火星的旅程中，与使用化学发动机的8-9个月相比，使用NTR发动机的飞行时间更短，估计为3-4个月。2019年5月22日，美国国会批准了1.25亿美元的资金，用于开发核热推进火箭。
太空核动力驶入快车道
今年5月15日，通过预征询，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布，他们打算实现一个可飞行的核热推进系统，并在2025年前进行演示。
这项名为“地月间敏捷火箭行动演示”（Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations，DRACO）的计划力求在太空轨道上演示核热推进系统（NTP）。
NTP使用核反应堆将推进剂加热到极高温度，然后将热推进剂通过喷嘴排出，产生推力。与传统的太空推进技术相比，NTP的推重比约为电推进的1万倍，比化学推进的比冲高2-5倍。
该计划的第一阶段预计将持续18个月，包括两个轨道。A轨将需要对NTP反应堆进行基线设计，包括对推进子系统进行概念设计审查（CoDR）和子系统要求审查（SuRR），最后对推进子系统的反应堆进行基线设计审查（BDR）。
B轨道将需要设计一个操作系统（OS）航天器概念，以满足国防部的任务目标，并设计一个演示系统（DS）航天器概念。B轨将包括OS和DS的概念设计审查(CoDR)和系统需求审查(SRR)，以及最后的DS技术成熟计划审查(TMPR)。
通过这项DRACO计划，美国国防部将开发出一些列技术，以实现对地球轨道、月球轨道以及介于两者之间的任何地方的航天器进行更灵敏的控制，使军队在这些领域有更大的作战自由度。
“预计未来几年，地月空间的活动将大大增加，”DRACO项目经理Maj Nathan Greiner在接受采访时说。“敏捷的核热推进器使美国能够提高在这一广阔空间内保持活动的意识。”
在其第一阶段招标中，DARPA要求工业界设计一个核热反应堆和一个用于演示核热反应堆的实用航天器。该方案的这一初始阶段将持续18个月。随后的阶段将进行详细的设计、制造、地面试验和空间演示。DARPA目前还没有授予合同，授予价值将由工业界提交的材料决定。
通过DRACO计划，美国国防部有可能实现在地月空间快速移动大型卫星。例如，将一颗4吨重的卫星从A点移动到B点，用太阳能电力推进可能需要6个月左右的时间，而用核热推进只需几个小时就可以完成。
要想将这项技术用于火星任务，NASA可能需要一个推力更大的系统。但在开发这项技术方面，由DARPA带路，证明有很多共用的技术，并在太空中演示核发动机的操作，对NASA以后的发展有好处。所以，虽然五级大楼对地月空间感兴趣，但DRACO试验成功对人类的深空探索也是一个好消息。
那既然DRACO项目是商业招标，那么就必然少不了工业界的身影。美国知名核技术公司BWX绝对是不可忽视的玩家。该公司曾经制造出美国海军潜艇和航空母舰上的大部分核反应堆，并正在与NASA合作设计一种反应堆以实现火星任务。
BWX公司的高级项目总裁Jonathan Cirtain表示，DARPA决定推进核热推进器的开发，是因为关键的技术正在成熟。
其中一个进步来自于难熔金属的制造能力，这种材料非常耐热。Cirtain 说，为了高效运转，发动机必须能够在短短两米的长度上承受巨大的温度和压力变化。试想一下，从-254.15摄氏度到2,226.85摄氏度乃至更高的温差变化，发动机要经受的考验无异于冰火两重天。
与此同时，设计核反应堆堆芯的工程师可以利用计算能力，快速迭代新的设计——计算中子通量和流体动力学等变量。Cirtain 说，“现在，有了超级计算机，你可以将几年的计算时间压缩为几天，迭代设计解决方案的速度比以前快得多。”
回顾人类对太空核动力的开发并审视当下美国最前沿的核热发动机项目，我们应该意识到军事应用依旧是全球技术发展的重要带动力量之一。而看似离我们遥远的地月空间也已经被世界各主要航天科技大国所锁定，未来围绕太空制高点的争夺毫无疑问会更加激烈。在这股趋势下，国家机构所释放出的技术红利的商业机会也将为相关领域的民营企业带来利好信号。
参考资料： [1]https://arstechnica.com/science/2020/06/the-us-military-is-getting-serious-about-nuclear-thermal-propulsion/ [2]https://beta.sam.gov/opp/471584e16391415da6e5dc08c33e9aa4/view#attachments-links [3]https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-ntp [4]https://spacenews.com/momentum-grows-for-nuclear-thermal-propulsion/ [5]https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/venus/q2811.html [6]https://www.space-travel.com/reports/NASA_Researchers_Studying_Advanced_Nuclear_Rocket_Technologies_999.html [7]https://phys.org/news/2019-07-earth-mars-days-power-nuclear.html [8]https://www.darpa.mil/program/demonstration-rocket-for-agile-cislunar-operations |
