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美国国防部高级研究计划局（Darpa）最近委托了蓝色起源、洛克希德·马丁公司和通用原子能公司三家私营公司开发用于月球轨道的核热火箭。
如果这种设想被成功实现，那我们可能会迎来一个航天飞行的新时代。尽管如此，核热火箭只是几种令人兴奋的火箭推进方式之一。这里我们将介绍其他几种火箭推进方式。
化学火箭
化学火箭是航天器的标准推进方式。它有两种主要类型：固体燃料（如航天飞机上的固体火箭助推器）和液体燃料（如土星5号运载火箭）。
这两种类型都借助化学反应在燃烧室中产生的高温、高压的气体。气体会向外膨胀，提供推力，而发动机的喷管是这种气体的唯一出口。
化学反应需要燃料，如液氢或铝粉，以及氧化剂（产生化学反应的试剂），如氧气。许多其他的变量也决定了火箭发动机的最终效率，科学家和工程师总是希望从给定的设计中获得更大的推力和更高的燃料效率。
最近，私营公司SpaceX一直在试飞其星舰发射器原型机。该原型机使用了以甲烷为燃料，氧气为氧化剂的“全流量分级燃烧循环发动机”，即“猛禽发动机”。俄罗斯和美国分别在20世纪60年代和本世纪初测试过这种设计，但迄今为止使用了这种设计的发动机都没有进入过太空。与传统设计相比，这种发动机不仅燃油效率更高，还可以产生更高的推重比。
核裂变热火箭
原子核由被称为质子和中子的亚原子粒子组成。这些粒子决定了元素的质量——质子和中子越多，质量越大。不稳定的原子核在中子的轰击下可以分裂成几个较小的原子核，这个过程被称为核裂变。核裂变能释放出巨大的能量。原子核在衰变过程中也会释放更多的中子，进而分裂出更多的原子，产生链式反应。
在核热火箭中，推进剂气体（如氢气）被核裂变加热至高温，在反应堆室内产生高压气体。就像化学火箭一样，这些气体只能通过火箭喷管喷出，从而产生推力。核裂变火箭产生的推力不足以将大量有效载荷从地球表面送入太空。然而一旦进入太空，它们会比化学火箭高效得多——在使用同等质量推进剂的情况下，它们可以使航天器拥有更快的速度。
核裂变火箭还未被应用于太空飞行器，但它们已经在地面上进行了测试。在未来的载人任务中，它们能够将地球和火星之间的飞行时间从约7个月缩短到约3个月。但核裂变火箭也有明显的缺点，它会产生放射性废料，若发射失败，这些放射性物质会被广泛扩散。
核裂变火箭面临的一个主要的工程挑战是缩小核反应堆，以便它能被安装在航天器上。在小型裂变反应堆开发方面，已经有一个新兴产业应运而生，能够生产出比成年人还小的裂变反应堆。
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电推进
电推进经常在科幻小说中出现，它通过离子驱动产生带电粒子（电离），利用电场使它们加速，然后再从推进器中发射。其中，推进剂是气体，比如氙气，一种很重的元素，易于充电。
带电的氙原子加速离开推进器时，会将非常小的动量（质量和速度的乘积）传递给航天器，提供温和的推力。虽然速度慢，但离子驱动是所有航天器推进方法中最省燃料的，因此我们可以飞得更远。离子驱动器通常用于姿态控制（改变航天器面对的方向），也被考虑用于脱轨旧卫星。
目前的离子发动机由太阳能电池供电，这使它们成为有效的太阳能发动机，且只需要很少的推进剂。欧洲航天局的SMART-1月球任务和正在前往水星的贝比科隆博号（Bepi-Colombo）都使用了这种发动机。美国宇航局目前正在研制大功率电推进系统，为将围绕月球运行的空间站 “月球门户”（Lunar Gateway）作准备。
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太阳帆
虽然火箭推进通常都需要某种推进剂，但有一种更“绿色”的方法，只需要太阳自身的光就可完成推进。
“帆”依赖于动量守恒的物理性质。在地球上，我们通常把这种动量看作推动船只前进的动态压力，这种压力由航行时吹入船板的空气粒子带来。光由光子组成，光子没有质量，但有动量，因此光可以把动量转移到帆上。由于单个光子的能量非常小，所以任何明显的加速都需要一个非常大的帆。
速度的增加也取决于到太阳的距离。在地球上，从太阳光中获得的能量大约是每平方米1.3千瓦。足球场大小的帆可提供相当于9.3兆瓦的能量，即使是对低质量的物体，这些能量也只能提供一个非常小的加速度。
日本的伊卡洛斯号（IKAROS）宇宙飞船和美国行星协会的光帆2号（Lightsail-2）都已经对太阳帆进行了测试。目前，前者已成功地飞越金星，后者正在绕地球轨道运行。
有一种方法能够提高效率并减小帆尺寸，即用激光推动航天器行进。激光产生的极其强烈的光子束会被引导到帆上，提供更高的加速度；但它需要被建造在地球轨道上，以免其强度在大气中损失。有提议称，应将激光应用于太空垃圾脱离轨道。激光发出的光可以减慢轨道垃圾的速度，使其脱离轨道并在大气层中被燃烧。
核裂变火箭的发展可能会使一些人感到兴奋，也可能会让另一些人感到担忧。然而，随着私营公司和国家航天机构越来越多地投入研究如何让人类更长时间地待在太空，这些原本作为替代的推进方式将变得更加主流，并有可能彻底改变我们刚刚起步的航天文明。
撰文：Gareth Dorrian，伯明翰大学空间科学博士后研究员；Ian Whittaker，诺丁汉特伦特大学物理系高级讲师。
翻译：张乃欣
审校：曾小欢
文章来源：theconversation
本文来自：中国数字科技馆
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