人类航天的下一个十年：核聚变动力宇宙飞船即将飞向深空

来源：视觉中国

聚变驱动的宇宙飞船可能很快就不会再只是科幻小说中的梦想了。

研究人员说，如果一切按计划进行的话，DFD引擎(Direct Fusion Drive，直接融合)将能够在2028年左右首次投入使用。

这对太空迷来说将会是一个大新闻，项目组成员说，这个小型货车大小的DFD有效负荷重量可以达到22000磅(一万公斤)，并且只需要用两年的时间就能到达土星，或者在发射五年内到达冥王星。(对比数据：美国宇航局的卡西尼号探测器花了6.75年的时间才到达土星，而该机构的新视野号探测器花了9.5年的时间才到达冥王星。)

此外，该发动机还可以作为一种强大的动力源，这意味着该技术可以在地球以外的地方有广泛应用。

上个月底，新泽西州普林斯顿卫星系统副总裁、项目组成员斯蒂芬妮·托马斯(Stephanie Thomas)在与美国国家航空航天局(NASA)未来太空行动工作组(Future in space Operations working group)发表的一次演示中说，目前，这可能有助于美国宇航局计划中的月球轨道空间站，以及月球和火星基地。

DFD是普林斯顿场反转结构(PFRC , Princeton Field-Reversed Configuration)的一个变体，PFRC是普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的Samuel Cohen在本世纪初发明的一个聚变反应堆概念。托马斯解释说，DFD基本上就是一个开放式的PFRC反应堆，通过排气流来产生推力。

DFD的内部将含有氦-3和氘的热等离子体，氘是一种特殊的“重”氢，其原子核中有一个中子(与没有中子的“正常”氢相反)。托马斯说，这些元素的原子会在等离子体中发生融合，产生大量的能量，和非常少量的危险辐射。

聚变等离子体会加热在装置外流动的冷却推进剂，随后这种推进剂会由发动机后部的喷嘴喷出，从而产生推力。

托马斯说，所有的热量都转化成大量的能量——可能在1到10兆瓦之间。DFD将利用这种能量，使用“布雷顿循环”发动机将大部分热量转化为电能。

这意味着DFD任务在到达目的地后可以进行大量的科学工作。托马斯说，举例来说，一个装有聚变装置的冥王星轨道飞行器可以将能量向下发送到冥王星表面的着陆器上，同时还可以向地球发回高清视频。

不过，核聚变一向都具有难以驾驭的传奇色彩;目前，还没有人成功地展示出一个在商业上可行的完整聚变反应堆。(就像一个老笑话说的那样，“核聚变是未来的能源，而且永远都是。”)但是托马斯和她的团队认为他们的概念有很大的成功机会。

“DFD不同于其他聚变反应堆的概念，”她说，她提到了该概念的体积小、操作干净、低辐射和独特的等离子体加热方法(使用无线电波天线)。

DFD小组最近已从各种机构获得资金，以继续发展这一概念。例如，该小组2016年至2019年的工作得到了美国宇航局创新先进概念项目(NASA innovation Advanced Concepts program)两轮资金的支持，该项目旨在培育具有潜在革命性的太空飞行技术的发展。

DFD今年还获得了先进研究项目机构-能源(ARPA-E)奖，该奖将资助该小组在明年的进一步研究。

该团队已经通过PFRC-1实验和PFRC-2展示了一些核心概念。PFRC-1实验于2008年至2011年在PPPL运行，PFRC-2实验目前则正在运行。研究人员尚未实现核聚变，但他们希望能够在本世纪20年代中期的PFRC-4实验中实现核聚变。

在实现核聚变不久之后，一个飞行原型机就会面世。托马斯说，在一次成功的演示飞行之后，最早的真正飞行任务可能会在2028年进行。