尹懷勤

近日，美歐宣布在Exomars火星生命探測計劃上展開合作。雙方將各有分工，其中火星著陸車、機器人和鉆探工具由歐空局負(fù)責(zé)，火箭發(fā)射和軌道艙則由美方負(fù)責(zé)。

Exomars探測器是歐空局于2005年決定研發(fā)的火星生命探測航天器，計劃2011年進行發(fā)射。探測器上將載有一個漫游機器人，攜帶一系列的研究宇宙生物學(xué)的科學(xué)儀器，探測火星上可能存在的生命。但后來這項計劃在實施過程中遇到許多難題，致使發(fā)射時間一再推遲，目前預(yù)定于2016年發(fā)射，并考慮減輕探測器有效載荷的重量。其中一直困擾著歐空局的難題就是發(fā)射和動力裝置問題，于是便想到了與美國宇航局實現(xiàn)合作。

美國宇航局從2003年初就開始研制核動力火星探測器。探測器發(fā)射時先由多級化學(xué)運載火箭將其送入800千米以上的繞地軌道運行后，核火箭才開始工作，推動探測器沖出地球引力范圍并按預(yù)定軌道在太空高速飛行，最終抵達火星進行繞飛探測或著陸考察。

鑒于美國和歐空局都已宣布，將分別于2031年和2033年派人登臨火星，故而目前聯(lián)手研發(fā)核動力火星探測器的舉動，很可能為以后合作研制核動力火星載人飛船奠定基礎(chǔ)。

雖然美歐合作研發(fā)核動力火星探測器的具體細(xì)節(jié)尚未透露，但是采用核火箭來進行推動的方案并未變動。其關(guān)鍵技術(shù)之～就是核火箭的研制問題。目前廣泛使用的是技術(shù)比較成熟的化學(xué)能火箭，而核火箭和電火箭以及太陽能火箭則屬于非化學(xué)能火箭，亦稱為非常規(guī)推進系統(tǒng)，其中有的已經(jīng)付諸應(yīng)用，有的尚處于研發(fā)之中。

核火箭發(fā)動機是利用核反應(yīng)或放射性衰變釋放的能量加熱工作介質(zhì)，使工質(zhì)通過噴管膨脹后高速排出產(chǎn)生反作用推力的。這種發(fā)動機性能高、速度快、壽命長，但技術(shù)復(fù)雜，只適用長期飛行的航天器。研制中存在的主要問題是輻射防護、排氣污染、反應(yīng)堆的控制以及高效率換熱器的設(shè)計等。由于這類問題不易攻克，所以從20世紀(jì)60年代就開始研究的核火箭發(fā)動機，至今仍處于試驗階段。

根據(jù)核能釋放方式的不同，核火箭發(fā)動機可分為放射性同位素衰變型、核裂變型和核聚變型三種。放射性同位素衰變火箭發(fā)動機的工作原理是將放射性同位素衰變產(chǎn)生的射線轉(zhuǎn)變成熱能，再加熱工質(zhì)形成推力，適用于0.1千克以下的低推力狀態(tài)，顯然不能用作火星探測器的動力裝置：核聚變火箭發(fā)動機的工作原理是利用輕原子核聚合成較重原子核過程中釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的。因為核聚變的控制問題尚未解決，所以，這種發(fā)動機仍處于探索和研究階段。由此可見，美國自行研制的核動力裝置只能是核裂變火箭發(fā)動機。

按照核反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)不同，核裂變分為固體堆芯和氣體堆芯兩種，其工作原理都是利用重原子核裂變反應(yīng)釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的。雖然氣體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機性能更為優(yōu)越，但由于還存在大量的技術(shù)難題，因此目前美國研制的用于火星探測器的核動力裝置乃是固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機。

固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機發(fā)展較早，主要由裝在推力室承壓殼體內(nèi)的核反應(yīng)堆、冷卻噴管、工質(zhì)輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆通常用含鈾235或钚239的濃縮物制成，工作時發(fā)生核裂變產(chǎn)生熱能，加熱工質(zhì)。工質(zhì)都是低分子量物質(zhì)，如液氫、液氦和液氨等，一般都用液氫。輸送系統(tǒng)將工質(zhì)先送入噴管冷卻套冷卻推力室，然后進入核反應(yīng)堆加熱，最后通過噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力。控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量和控制核反應(yīng)的功率，以使發(fā)動機的推力能滿足實際飛行的需要。

火星探測器采用固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機進行推動的理由是，它不僅能長期工作，如可運行10年以上的時間，而且還能提供更高的速度，如秒速可達24.17千米，超過了第三宇宙速度。若探測器以化學(xué)火箭提供的第二宇宙速度飛行，抵達火星需要9個月，而以核火箭提供的高速飛行，抵達時間則可縮短到2個月之內(nèi)。從長遠(yuǎn)看，核火箭還能推動載人航天器到太陽系空間邀游并送航天員在可以登臨的星球上進行著陸考察和開展科學(xué)研究。

若要實施核動力火星載人飛船方案，送人登上火星，由于要攜帶航天員及其所需的生活用品和工作設(shè)備，航天器重量增加較多，肯定還要進一步提高核火箭發(fā)動機的推力。同時核動力存在的安全隱患必須引起高度重視，特別是核輻射對航天員健康造成威脅的問題亟待解決。因為核火箭飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于每天做8次x光透視，會對人的身體帶來損害。由此可見，核動力火星載人飛船比核動力火星無人探測器要復(fù)雜得多。而且，若要取代從地面發(fā)射使用的多級化學(xué)運載火箭，發(fā)展先進的、大推力高推重比的、可用于單級入軌的大型核火箭發(fā)動機，那還要解決更多的技術(shù)難題。假若這一設(shè)想一旦變?yōu)楝F(xiàn)實，那將是航天運載工具史上的一大飛躍。(文章代碼：1605)

責(zé)任編輯龐云