摘要：在人类探索宇宙的漫漫征程中，火星一直是我们心心念念的目标。然而，以目前的航天技术，前往火星的旅程漫长又艰辛，这严重阻碍了我们对这颗红色星球的深入探索。但最近，俄亥俄州立大学和亨茨维尔阿拉巴马大学的工程师们带来了新希望，他们研发的基于液态铀燃料的离心式核热火箭（

在人类探索宇宙的漫漫征程中，火星一直是我们心心念念的目标。然而，以目前的航天技术，前往火星的旅程漫长又艰辛，这严重阻碍了我们对这颗红色星球的深入探索。但最近，俄亥俄州立大学和亨茨维尔阿拉巴马大学的工程师们带来了新希望，他们研发的基于液态铀燃料的离心式核热火箭（CNTR），有望彻底改变这一局面，将火星之旅的时间大大缩短。

传统火箭的困境：化学动力的“天花板”

长久以来，化学火箭一直是太空探索的主力军。从人类首次踏上月球，到各种卫星的发射，化学火箭立下了汗马功劳。但随着我们探索的目标越来越远，化学火箭的局限性也日益凸显。

化学火箭的工作原理是通过燃料和氧化剂的剧烈化学反应产生高温高压气体，这些气体从火箭喷口高速喷出，从而产生推力。但这种方式的效率已经接近极限，其最高比冲（衡量火箭推力效率的关键指标）大约只有450秒。这意味着，化学火箭要消耗大量的燃料才能产生足够的推力，而且速度提升也十分有限。

对于月球这样相对较近的目标，化学火箭还能胜任。但要是前往火星，问题就来了。火星与地球的距离在不断变化，最近时也有大约5500万公里，最远可达4亿公里。使用化学火箭前往火星，单程就需要大约7 - 9个月的时间，如果要往返，至少需要近两年。“新视野号”探测器前往冥王星更是耗费了九年时间，如此漫长的旅途，不仅增加了任务成本，也让宇航员面临更多的风险，比如长期暴露在宇宙辐射和微重力环境中，对健康造成严重威胁。

CNTR：核能驱动的星际新希望

为了突破化学火箭的限制，科学家们将目光投向了核能，而CNTR就是这一探索的前沿成果。

CNTR的设计大胆而创新。与传统火箭依赖化学燃烧不同，它采用了液态铀作为燃料。在CNTR内部，液态铀圆柱体以每分钟数千转的速度高速旋转。这种旋转产生的离心力将铀固定在原位，同时，氢气推进剂流经旋转的铀圆柱体。铀在裂变过程中释放出巨大的能量，将氢气加热到极高的温度，随后高温氢气以极快的速度从喷口喷出，产生强大的推力。

这种独特的设计赋予了CNTR超高的性能潜力。根据该团队在《宇航学报》上发表的论文，完全实现的CNTR比冲可以达到1500 - 1800秒，这是化学火箭比冲的3 - 4倍。如此高的比冲意味着CNTR能够以更高的效率将推进剂加速喷出，从而获得更大的推力和更快的速度。这将使往返火星的时间从近两年大幅缩短到大约420天，而单程火星之旅，有望在六个月内安全完成，大大降低了宇航员在太空中面临的风险。

俄亥俄州立大学机械与航空航天工程副教授迪恩·王强调：“在太空中停留的时间越短，宇航员受到宇宙辐射、微重力等有害因素影响的风险就越低，CNTR为实现这一目标提供了可能。”

挑战重重：驾驭液态铀的艰难之路

尽管CNTR前景诱人，但要让这个“梦想火箭”成为现实，还有诸多难关需要攻克。

首先，在一个高速旋转的火箭发动机内驾驭熔融状态的铀，本身就是一项极其艰巨的任务。研究团队列出了十大工程挑战，每一项都考验着人类的技术极限。比如，需要设计出一种特殊的多孔圆柱体壁，它既要允许氢气推进剂顺利进入，与液态铀充分接触被加热，又要像坚固的盾牌一样，防止液态铀泄漏，一旦发生泄漏，后果不堪设想。

其次，防止铀蒸气渗透到排气流中也是一大难题。如果有铀蒸气混入排气流，不仅会造成放射性污染，还会严重影响火箭的效率，降低其性能。

此外，在CNTR启动和关闭时，如何控制整个系统的稳定性也是关键。这两个阶段是系统最容易出现不稳定的时刻，稍有不慎，就可能导致火箭故障甚至爆炸。

为了解决这些问题，科研人员正在积极探索各种新技术。例如，“BLENDER II”实验以每分钟数千转的速度旋转模拟液态金属，深入研究在这种极端环境下气体气泡的行为，为优化CNTR的设计提供数据支持。还有研究人员在探索介电泳技术，利用电场将逸出的氢气流中的铀原子分离出来，避免它们随火箭喷出，从而保证排气流的纯净和火箭的高效运行。

目前，CNTR发动机的最佳寿命仅为总计10小时的点火时间，这与星际旅行所需的长时间持续运行相比，还有很大的差距。但科研人员并没有放弃，他们坚信，随着技术的不断进步，这些问题终将得到解决。

核热推进的竞赛：NASA与CNTR

实际上，对核热推进技术的研究并非只有CNTR这一个项目。NASA和DARPA联合开展的DRACO项目也在积极推进核热推进技术的发展，并计划在2027年进行测试。

DRACO项目建立在几十年前的固体燃料设计基础上，使用高含量低浓缩铀（HALEU）作为燃料，以降低核扩散风险。该项目的目标是利用核热推进系统，将前往火星的时间缩短一半，同时提高燃料效率，减少推进剂的携带量。

与DRACO项目相比，CNTR代表着一种更为激进的尝试。它采用的熔融液态铀核心可以实现更高的温度，从而有可能带来性能上的巨大飞跃。虽然这种设计风险更高，但一旦成功，将彻底改变人类星际旅行的格局。

如果CNTR能够成功克服技术难题，实现商业化应用，它带来的好处将是多方面的。除了缩短火星旅行时间，减少宇航员的辐射暴露和健康风险外，还能开启前往外行星的直达轨道。以往，由于化学火箭的性能限制，航天器前往外行星往往需要借助行星的引力辅助进行变轨，这一过程需要数年时间。而CNTR的高速度和高推力，将使航天器能够直接飞向目标行星，大大缩短旅行时间。比如，前往海王星，以往可能需要十五年，而使用CNTR或许只需要七年。

尽管目前CNTR还面临诸多挑战，但它的潜力让人们对未来的星际旅行充满了期待。就像王教授所说：“我们对设计的物理原理有深入的理解，虽然还有技术挑战需要克服，但每一次的突破都让我们离梦想更近一步。”也许在不久的将来，我们真的能乘坐着液态铀火箭，开启一场说走就走的火星之旅，甚至迈向更遥远的宇宙深处，让星际旅行不再是遥不可及的梦想。

来源：小杜的科学讲堂