鐘建業(yè)

從20世紀(jì)60年代初到70年代中期,美國(guó)和前蘇聯(lián)分別向月球發(fā)送了大量的探測(cè)器、登陸器,并對(duì)其進(jìn)行了大量的科學(xué)考察。特別是1969年～1972年,美國(guó)成功地實(shí)施了“阿波羅”計(jì)劃,連續(xù)6次載人登月,掀起了人類第一次月球熱。隨著前蘇聯(lián)1976年最后一次向月球表面發(fā)射登月艙的結(jié)束,第一次月球熱降下了帷幕。其后,盡管人類向月球發(fā)射過(guò)一系列探測(cè)器,繼續(xù)對(duì)月球進(jìn)行科學(xué)考察,但無(wú)論是人還是登月艙再也沒(méi)有到達(dá)過(guò)月球表面。

20世紀(jì)末,第二次月球熱再次興起,美國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲乃至印度都紛紛制定了自己的月球開(kāi)發(fā)和探測(cè)計(jì)劃。人們期望在21世紀(jì)能夠建立起穩(wěn)固的地月交通線、月球太空港、天文觀測(cè)臺(tái)和月球?qū)嶒?yàn)室、礦山、工廠、農(nóng)作物生產(chǎn)基地、旅游點(diǎn)和生活區(qū)。盡管現(xiàn)在還很難預(yù)測(cè)這些愿望是否能完全成為現(xiàn)實(shí),但可以肯定，在21世紀(jì),人類將部分實(shí)現(xiàn)自己的愿望。如果說(shuō)第一次月球熱的興起是冷戰(zhàn)時(shí)期的產(chǎn)物,歸結(jié)于美、蘇爭(zhēng)奪世界航天霸主地位的話,那第二次月球熱的到來(lái)要?dú)w功于月球的神奇魅力,人類了解太空、開(kāi)發(fā)月球的強(qiáng)烈欲望以及航天及其他科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。

一、地月交通運(yùn)輸線

30多年前，一些預(yù)言家就曾經(jīng)指出,在“阿波羅”計(jì)劃之后將出現(xiàn)商業(yè)性航天飛機(jī)，大型軌道空間站以及人們將在地球和逐漸擴(kuò)大的月球聚居地之間往返飛行。目前,這些預(yù)言已部分變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),美國(guó)研制的航天飛機(jī)已在地面和地球軌道之間往返飛行了100多次,向太空運(yùn)送了大量的物資和宇航員;俄羅斯的“和平”號(hào)空間站在軌道上飛行了15年,完成了大量的科學(xué)試驗(yàn),并為人類長(zhǎng)期在太空生活積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，美國(guó)正在研制單級(jí)入軌可重復(fù)使用的運(yùn)載器并與其他國(guó)家一起建造國(guó)際空間站。除此以外，NASA的人類空間探索與開(kāi)發(fā)計(jì)劃還預(yù)想了利用地球以外的資源和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性推進(jìn)技術(shù)，這對(duì)建立最初到月球而后到火星的交通運(yùn)輸線是不可缺少的。今后10年～15年間可能被開(kāi)發(fā)出來(lái)的更先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)可能為今后更先進(jìn)、更經(jīng)濟(jì)的地月交通運(yùn)輸系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

(1)先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)。

1988年～1992年之間，NASA對(duì)各種地月運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)想方案進(jìn)行了分析。其中大部分方案都采用液氫液氧化學(xué)推進(jìn)劑運(yùn)載火箭，或是一次性使用的或是部分可重復(fù)使用的。當(dāng)月球著陸運(yùn)載器在低月軌道上使用時(shí)，可重復(fù)使用一個(gè)大型空氣剎車使月球運(yùn)輸火箭重返近地軌道。與此同時(shí)，美國(guó)劉易斯研究中心考核了熱核火箭,分析表明，由于它有高比沖和高發(fā)動(dòng)機(jī)推力,因而有許多優(yōu)點(diǎn):1利用它可實(shí)施一個(gè)完整的推進(jìn)任務(wù);2任務(wù)結(jié)束時(shí)，熱核火箭推動(dòng)的月球運(yùn)輸運(yùn)載器和它的月球著陸飛行器可完全回收;3比部分可重復(fù)使用的空氣制動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)有更小的近地軌道初始質(zhì)量。但在使用這種可重復(fù)使用的熱核推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，必須為近地軌道永久性設(shè)施投入巨資,以便下次為熱核火箭重裝燃料。再有，專門使用低密度液氫還將增加月球運(yùn)輸飛行器的尺寸，而且需要大直徑(10米)有效載荷防護(hù)罩加到運(yùn)載火箭部件上。為了開(kāi)發(fā)熱核火箭的性能，減小運(yùn)載器尺寸以及利用月球上的氧，科學(xué)家提出了一個(gè)革新的推進(jìn)方案，那就是把傳統(tǒng)液氫冷卻的熱核火箭和超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái),被稱為液氧增強(qiáng)型熱核火箭，這種技術(shù)為“革命性”的月球運(yùn)輸系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

這種液氧增強(qiáng)型熱核火箭,既可以作為一臺(tái)傳統(tǒng)的液氫冷卻熱核火箭，也可作為一臺(tái)雙推進(jìn)劑液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。它的主要組成部分包括一個(gè)核裂變反應(yīng)堆和使推進(jìn)劑受熱膨脹的噴管、氫氧供給系統(tǒng)和儲(chǔ)箱以及一個(gè)閉合的用于產(chǎn)生電能和加速發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的“比瑞頓”循環(huán)系統(tǒng)。在液氧增強(qiáng)型熱核火箭運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，氧被注入熱核火箭噴管的大型擴(kuò)散段，噴管相當(dāng)于一個(gè)“后燃燒室”。在那里，氧與在液氧增強(qiáng)型熱核火箭的音速噴管喉部出現(xiàn)的反應(yīng)堆加熱的氫自發(fā)地燃燒，從而增加超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)反向推進(jìn)必需的噴出質(zhì)量和能量。

當(dāng)核反應(yīng)堆產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的能量輸出時(shí)，液氧增強(qiáng)型熱核火箭通過(guò)改變氫氧混合比，發(fā)動(dòng)機(jī)將能在一個(gè)更寬的推力和比沖值范圍里運(yùn)轉(zhuǎn)。推力增強(qiáng)特性意味著“大發(fā)動(dòng)機(jī)”的性能可以由較小的、更便宜的、更易于測(cè)試的熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)得到，縮短燃燒時(shí)間也可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命而且提高“壽命周期成本”。最后，更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而用來(lái)自月球的氧為未來(lái)的液氧增強(qiáng)型熱核火箭充氧，極大地減小了運(yùn)載器的尺寸和質(zhì)量，并同時(shí)增加運(yùn)輸?shù)挠行лd荷。

(2)地月運(yùn)輸線的建立。

NASA已經(jīng)研究了利用月球軌道匯合點(diǎn)的月球運(yùn)輸方案，試圖：1減少空間基礎(chǔ)設(shè)施的早期投資；2取消體積和重量都很大的起飛助推器；3盡可能增大每次月球登陸任務(wù)的月面有效載荷；4盡量減少月球往返系統(tǒng)的重復(fù)使用費(fèi)用。為了達(dá)到上述目的，計(jì)劃一系列貨物的運(yùn)輸和載人飛行，最初使用一次性的“完全液氫”熱核火箭系統(tǒng)以最大限度地運(yùn)送月面有效載荷。每次飛行增加的有效載荷專門用于運(yùn)送“模塊化的”月球氧的生產(chǎn)設(shè)備,目的是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用月球氧,以盡早為月球著陸火箭和月球運(yùn)輸運(yùn)載器充氧,最后過(guò)渡到可重復(fù)使用的液氧增強(qiáng)型熱核火箭結(jié)構(gòu)并改善壽命循環(huán)費(fèi)用。已出現(xiàn)的費(fèi)用節(jié)余和使用月球氧的工業(yè)利潤(rùn)將逐漸被用于投資發(fā)展另外的空間設(shè)施，比如低地軌道和低月軌道推進(jìn)劑補(bǔ)給站，從而支持以后的重復(fù)使用。另外,隨著一次性使用運(yùn)載器的近地軌道初始質(zhì)量和尺寸都有所減少,可使用兩個(gè)具有66噸升空能力的航天飛機(jī)運(yùn)送部件到近地軌道,然后借助簡(jiǎn)單的匯合點(diǎn)和在外層空間匯合機(jī)動(dòng)性完成運(yùn)載器的組裝。

當(dāng)月球前哨的貴重器材和月球氧的生產(chǎn)水平足夠支持月球表面基地的月球著陸火箭時(shí)，就算成功地邁出了減少空間運(yùn)輸費(fèi)用的顯著的第一步。沒(méi)必要每次飛行都運(yùn)送帶有“液氧”的月球著陸火箭到近月軌道上，一次性使用的熱核火箭已有足夠的推進(jìn)劑，能在重復(fù)使用模式下運(yùn)轉(zhuǎn)而且能將至少9噸的有效載荷運(yùn)到近月軌道。在每次新任務(wù)之前，一次性使用的航天飛機(jī)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱將被用于為熱核火箭重加燃料。

第二步，當(dāng)月球氧可在近月軌道使用時(shí)，兩個(gè)熱核火箭將借助液氧推進(jìn)劑補(bǔ)給系統(tǒng)和用于雙推進(jìn)運(yùn)作的后燃燒室噴管裝填液氧。以“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”為基礎(chǔ)的月球運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變將從較小的可重復(fù)使用的月球運(yùn)輸飛行器開(kāi)始,每次飛行中能運(yùn)輸至少36噸貨物和“地球供給”的液氫到近月軌道,增加了300％的有效載荷。以月面為基礎(chǔ)的月球著陸火箭將運(yùn)送月球氧到近月軌道補(bǔ)給站，之后裝上液氫和非推進(jìn)劑貨物返回月球。

在去月球的路上，采用“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”的月球運(yùn)輸運(yùn)載器加倍了液氫儲(chǔ)箱，返回地球前就可加21噸月球氧。在往返的路上，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的氫氧混合比為1∶3，這使熱核火箭全部推力輸出量增加約275％，推力增量還減少了總飛行燃燒時(shí)間約30分鐘——一次性使用的熱核火箭系統(tǒng)飛行時(shí)間的一半，因此加倍了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命而且減少了月球運(yùn)輸系統(tǒng)的重復(fù)使用費(fèi)用。

(3)典型的月球交通及運(yùn)輸方案。

隨著月球氧生產(chǎn)的進(jìn)行和以可重復(fù)使用的液氧增強(qiáng)型熱核火箭為基礎(chǔ)的月球運(yùn)輸系統(tǒng)投入使用，最初的月球前哨基地將成為代表政府和風(fēng)險(xiǎn)事業(yè)的科學(xué)家和工程師們的永久性定居點(diǎn)?！耙貉踉鰪?qiáng)型熱核火箭”方案可使快速地經(jīng)常往返于地球和月球之間的航天飛機(jī)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),這種飛機(jī)往返一次的時(shí)間約為24小時(shí)——大約相當(dāng)于現(xiàn)在從華盛頓特區(qū)到澳大利亞悉尼的時(shí)間。在“阿波羅”計(jì)劃中，三天半到月球的旅行需要“德?tīng)査?”火箭的飛行速度約為4.1千米／秒。而24小時(shí)內(nèi)往返的旅行將需要“德?tīng)査?”火箭的飛行速度達(dá)到6.9千米/秒。

基于“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”的經(jīng)常往返于地球和月球之間的航天飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是“完全液氫”的熱核火箭的改進(jìn)型，它能在一天內(nèi)將15噸搭載物運(yùn)抵月球。除了它的“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)，其他主要的航天器修改是在液氫“核心”段之前的小型推進(jìn)劑儲(chǔ)箱中用液氧代替液氫。在標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)常往返于地球和月球之間的飛行中，假設(shè)“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”航天飛機(jī)只用“地球供給”的約43噸液氫與“地球供給”的約105噸液氧以及約92噸月球氧分別用于去月球和返回地球的旅程中。航天飛機(jī)的雙“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)工作整個(gè)約47分鐘,離開(kāi)時(shí)氫氧混合比為1∶4，而歸航時(shí)氫氧混合比為1∶6,這些條件幾乎提供了最佳性能并允許有足夠大的飛行器組件,允許每天安排兩至三次航天飛機(jī)往返飛行。乘客艙直徑大約4.6米，長(zhǎng)約8米，能用當(dāng)前的航天飛機(jī)或下一代可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭運(yùn)抵軌道。

典型的經(jīng)常往返于地球和月球之間的旅行如何開(kāi)始呢？乘客可能首先搭乘一架未來(lái)的穿過(guò)大氣層的航天飛機(jī)或者是飛往國(guó)際空間站的乘客型可重復(fù)使用運(yùn)載火箭。在那里，他們將進(jìn)入包括自身生命保障系統(tǒng)、儀表設(shè)備和控制系統(tǒng)以及輔助推進(jìn)系統(tǒng)的乘客運(yùn)輸艙。乘客運(yùn)輸艙為“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”推動(dòng)的航天飛機(jī)提供“大腦”，而且乘客運(yùn)輸艙是去月球途中18名乘客和2名乘務(wù)員的家。從國(guó)際空間站分離后，乘客運(yùn)輸艙與在安全距離外等候的加足燃料的“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”航天飛機(jī)對(duì)接。在適當(dāng)時(shí)刻，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火升空，而航天飛機(jī)迅速爬升脫離地球。

經(jīng)過(guò)24小時(shí)的飛行之后，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”航天飛機(jī)到達(dá)近月軌道，在那里乘客運(yùn)輸艙分離并與等在那里的月球著陸火箭對(duì)接。近月軌道上的商業(yè)推進(jìn)劑補(bǔ)給站為軌道上的飛行器提供方便的補(bǔ)給。它用月球氧支持“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”航天飛機(jī)返回地球，需要地球供給液氫的月球著陸火箭送乘客運(yùn)輸艙到月球表面。在那里,乘客運(yùn)輸艙將成為月面運(yùn)載工具，而電子控制系統(tǒng)操縱它進(jìn)行月面機(jī)動(dòng)。其后，乘客運(yùn)輸艙將與月球基地的密封艙會(huì)合，乘客到達(dá)目的地。

除了去月球本身令人十分興奮以外，人們還期望“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”能有力地把空間運(yùn)輸發(fā)展到地球以外任何可得到液氧和液氫的地方,如火星系統(tǒng),主要區(qū)域的小行星和木星的衛(wèi)星歐羅巴和卡里斯托。在不久的將來(lái)，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”和月球氧方案能向公眾提供革命性的空間運(yùn)輸，就像預(yù)言家描述的那樣，不出意外，只需一天多一點(diǎn)，人類夢(mèng)想了2000年的不可思議的旅行將變?yōu)轱w往月球的例行程序。