如何安全、有效地控制核动力太空推进系统一直是航天领域的技术难题。为突破该瓶颈，美国橡树岭国家实验室（ORNL）日前建立了一套模拟核反应堆测试装置，用于研发未来可将宇航员送往火星甚至更远深空的核动力火箭发动机。

艺术家对核火箭发动机使用场景的构想图NASA

长期以来，制约人类探索太阳系的最大障碍之一就是从一个天体前往另一个天体的技术手段。传统的化学火箭虽然能够胜任现有任务，但自1944年德国V2火箭首次进入太空以来，其技术已接近理论极限。例如，单单将一吨有效载荷送入地球轨道，化学火箭大约需要16吨燃料；而想要登陆月球，则每吨载荷需消耗多达1000吨燃料。这也是为何阿波罗土星五号火箭在发射时如高楼般巨大，完成任务返回地球时只剩下“花园工具房”般大小的指令舱。

如需进一步突破地月空间、实现更远距离快速且经济的太空旅行，核动力被视为关键。核火箭发动机基本原理是在反应堆内加热氢气至高达3000K（2727°C），再作为推进剂喷出，其推力和比冲几乎达到化学火箭的两倍。

但核动力火箭存在两大核心难题：一是如何精确控制巨大的热量，防止发动机熔毁；二是核反应堆结构紧凑，且高度放射性，宇航员不可能像操作地面电厂那样直接干预，推进系统必须具备远程开关与调节能力，系统控制复杂远胜地面装置。

事实上，核动力火箭的研发已历时八十余年。二战后不久，原子能释放巨大能量的原理已促使相关研究成为现实。美国国家航空航天局（NASA）60年代曾多次开展实际核火箭（如NERVA）的地面试验。当时，这些发动机依据固定预设程序运行，各项控制按时序执行，类似家用面包机的智能化水平。

但这种简易控制方式，只适用于地面测试。未来真正飞向太空的核动力火箭，需要更加灵敏和智能化的自动控制系统。橡树岭国家实验室此次研发的模拟试验台，围绕虚拟反应堆布置了六个控制鼓。每个控制鼓内部配备分辨器、光学编码器和扭矩仪，用于测量动作精度。同时，水与空气混合流模拟实际氢推进剂的流动，系统内集成涡轮泵、执行阀门及多种流量、压力和温度传感器，实现全方位测试。

上述装置由NVIDIA Jetson单板计算机控制，通过消息队列遥测传输协议（MQTT）实现硬件与反应堆仿真软件之间快速通信。采用虚拟反应堆而非真实设备，不仅出于安全考虑，也使科研人员能够在发现潜在问题时迅速调整设计，大幅提升验证效率。

“我们的试验台为工程师们打造了一个安全、可重复的环境，可以将自动化控制系统推向极限测试。这意味着各种问题都能在地球上被发现和解决，而无需等到宇航员身处数百万英里之外的太空中。”ORNL研究员Brandon Wilson如是说。

该研究已发表于《Energies》期刊。