楊孝文

第一個(gè)踏上火星土地的宇航員乘坐的飛船所使用的火箭不會(huì)是曾將“阿波羅11”號(hào)飛船送上月球的化學(xué)燃料火箭，而是更為先進(jìn)的核動(dòng)力火箭?；瘜W(xué)燃料火箭無(wú)法提供足夠的推進(jìn)力，導(dǎo)致宇航員在抵達(dá)火星前不得不忍受幾個(gè)月的危險(xiǎn)太空輻射。為此，美國(guó)航空航天局將目光轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期被忽視的核熱火箭技術(shù)，用于將首批火星探險(xiǎn)家送上這顆紅色星球。

并非新技術(shù)

核熱火箭并不是一項(xiàng)新技術(shù)。1942年，也就是在恩里科·費(fèi)米成功進(jìn)行核裂變反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)之后，研究人員就開始討論利用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)火箭和飛機(jī)的前景。1944年，芝加哥大學(xué)冶金學(xué)實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究小組打造了一個(gè)早期的核熱設(shè)計(jì)，利用裂變反應(yīng)堆加熱氫氣，然后讓氫氣穿過一個(gè)小噴口，產(chǎn)生推進(jìn)力。核燃料的能量密度大約是化學(xué)燃料的10⁷倍，采用這種燃料的火箭重量只有化學(xué)燃料火箭的1/2壽右。核熱火箭能夠讓負(fù)荷和燃料的比率從1：1提升到7：1，尤其是在作為上級(jí)火箭的時(shí)候。這一設(shè)計(jì)吸引了美國(guó)空軍的目光。1947年和1949年，空軍方面在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列秘密測(cè)試。

核熱技術(shù)的研發(fā)一度沉寂了幾年時(shí)間。1955年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開始研發(fā)核動(dòng)力洲際彈道導(dǎo)彈，1956年又開始研制核動(dòng)力沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。1957年，美國(guó)空軍認(rèn)為核熱技術(shù)并不適合軍隊(duì)，建議進(jìn)行非核方面的研發(fā)?？哲姷难邪l(fā)計(jì)劃被稱為“漫游者”計(jì)劃，后來(lái)移交給新成立的美國(guó)航空航天局。

“漫游者”計(jì)劃1955年啟動(dòng)，1972年終結(jié)。1961年，這項(xiàng)計(jì)劃進(jìn)展快速并取得巨大成功，促使馬歇爾太空飛行中心申請(qǐng)?jiān)?964年之前進(jìn)行反應(yīng)堆飛行測(cè)試。這是一項(xiàng)具有里程碑意義的進(jìn)展，讓研究人員看到了建造和發(fā)射最終樣機(jī)的希望。為了響應(yīng)馬歇爾太空飛行中心的請(qǐng)求，美國(guó)政府在1961年成立了航天核推進(jìn)局，負(fù)責(zé)對(duì)研發(fā)工作進(jìn)行監(jiān)督和規(guī)劃，同時(shí)與美國(guó)航空航天局和原子能委員會(huì)展開合作。美國(guó)航空航天局關(guān)注的是飛行系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，原子能委員會(huì)致力于研發(fā)反應(yīng)堆技術(shù)。航天核推進(jìn)局的第一任局長(zhǎng)H.B.哈里·芬格做出推遲發(fā)射的決定，要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做飛行測(cè)試前必須進(jìn)行一系列嚴(yán)格的性能測(cè)試。

打造多種設(shè)計(jì)

美國(guó)航空航天局啟動(dòng)了核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用計(jì)劃，旨在研制一種可用于太空探索的核熱星際飛船發(fā)動(dòng)機(jī)。在17年時(shí)間里，這項(xiàng)計(jì)劃研發(fā)了超過20種截然不同的火箭設(shè)計(jì)，其中包括1955年-1964年的早期設(shè)計(jì)——“幾維”，1964年-1969年的“太陽(yáng)神”以及1970年-1971年測(cè)試的“山鷸”。“幾維”并非為了飛行測(cè)試設(shè)計(jì)，“太陽(yáng)神”的體積更大，處在設(shè)計(jì)的中間階段，所有這些設(shè)計(jì)最后都被“核熔爐”設(shè)計(jì)取代?！皫拙S”的另一個(gè)派生設(shè)計(jì)“核火箭實(shí)驗(yàn)”系列1964年開始測(cè)試，1968年結(jié)束。

每個(gè)設(shè)計(jì)都有兩個(gè)核反應(yīng)堆，在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的帕哈利托基地建造，其中一個(gè)反應(yīng)堆用于進(jìn)行零功率臨界實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)堆在極低溫度環(huán)境下進(jìn)行持續(xù)裂變，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以忽略不計(jì)。另一個(gè)用于全功率測(cè)試，在偏遠(yuǎn)的內(nèi)華達(dá)州試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。之所以選在這個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)是因?yàn)橐坏y(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆炸，核物質(zhì)將被噴射到周邊地區(qū)，造成污染。洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室名為“西格馬”的設(shè)施負(fù)責(zé)生產(chǎn)钚-238。钚-238是钚-239的“非裂變兄弟”，轟炸日本的原子彈使用的就是钚-239。

第一代“幾維”的第一次測(cè)試在1959年中期進(jìn)行?！皫拙S”由一系列無(wú)涂層氧化鈾盤構(gòu)成，浸泡在液體氫中。這是一種非常簡(jiǎn)單的核發(fā)動(dòng)機(jī)，但卻能夠產(chǎn)生70兆瓦電量和2683K的溫度。第二代“幾維B”用氧化鈾小球代替鈾盤，懸浮在一個(gè)石墨柵陣中，上面有碳化鈮涂層，液態(tài)氫穿過這些小球產(chǎn)生排氣。早期的“幾維”設(shè)計(jì)存在一些缺陷，在整個(gè)項(xiàng)目結(jié)束時(shí)也沒有得到徹底解決。其中一個(gè)缺陷是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈震動(dòng)并發(fā)出咔嗒聲，足以導(dǎo)致燃料束破裂，變成廢物。此外，由于溫度過高，超熱液態(tài)氫腐蝕反應(yīng)堆內(nèi)壁。

測(cè)試中出現(xiàn)安全殼破損將釀成災(zāi)難，是一個(gè)必須考慮的危險(xiǎn)因素。這種破損可由軌道器撞擊地面、裂變失控或者設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致，能形成可怕的“輻射雨”，對(duì)地表大面積區(qū)域造成核污染。1965年，研究人員在內(nèi)華達(dá)州試驗(yàn)場(chǎng)杰卡斯平地中部地區(qū)炸毀了“幾維”反應(yīng)堆。爆炸產(chǎn)生的輻射塵殺死了方圓約200米內(nèi)的一切生物，遭受污染的區(qū)域達(dá)到約600米。輻射塵的數(shù)量取決于核發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃料類型，固態(tài)燃料棒和碳柵陣中的小球所產(chǎn)生的輻射波及范圍遠(yuǎn)低于氣態(tài)或者液態(tài)燃料。

NRX系列取得成功

在研制“幾維”5年后，美國(guó)航空航天局開始將目光投向體積更大的發(fā)動(dòng)機(jī)——“太陽(yáng)神”系列。這種火箭的最初測(cè)試在1959年進(jìn)行，持續(xù)了10分鐘，產(chǎn)生了1064兆瓦電量和2370K的溫度。1967年進(jìn)行的測(cè)試持續(xù)了30分鐘，產(chǎn)生了1500兆瓦電量?！疤?yáng)神-2A”曾在短短12分鐘內(nèi)產(chǎn)生4000兆瓦電量，成為當(dāng)時(shí)世界上制造的功率最大的核反應(yīng)堆。4000兆瓦電量相當(dāng)于切爾諾貝利核電站的總發(fā)電量，可滿足300萬(wàn)家庭的用電需求。

500兆瓦的“山鷸”是在最初的“幾維”設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研制的，用于測(cè)試新的碳化鋯涂層，取代最初的碳化鈮?！吧晋?”的堆芯設(shè)計(jì)將燃料導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)降到1/3。在研制“山鷸”的同時(shí)，美國(guó)航空航天局還在測(cè)試一種截然不同的火箭設(shè)計(jì)，利用水進(jìn)行冷卻，被稱為“核熔爐-1”。

“幾維”的另一個(gè)派生設(shè)計(jì)“核火箭實(shí)驗(yàn)”系列于1964年開始測(cè)試，后進(jìn)化成NERVA NRX/XE，并且一度接近于做好試飛準(zhǔn)備。1968年，航天核推進(jìn)局對(duì)XE進(jìn)行了28次測(cè)試，測(cè)試在低壓艙內(nèi)完成，用以模擬太空真空環(huán)境。每次測(cè)試中，XE都能產(chǎn)生超過1100兆瓦的電量以及約3.4萬(wàn)千克的推進(jìn)力。這是航天核推進(jìn)局要求馬歇爾太空飛行中心必須滿足的功率基線，否則不準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)堆飛行測(cè)試，更不用說使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)將宇航員送上火星。測(cè)試過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過2小時(shí)，其中有28分鐘的滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，只有在燃燒完所有17千克燃料之后，測(cè)試人員才讓發(fā)動(dòng)機(jī)停下來(lái)。

XE的成功以及洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在材料方面取得的進(jìn)步讓科學(xué)家看到了核動(dòng)力火箭的巨大發(fā)展?jié)摿?。一些科學(xué)家希望用這種火箭取代土星I及土星IV的第二級(jí)和第四級(jí)的J-2助推器，其他人則希望將其作為“太空拖拉機(jī)”，用于將航天器從地球低軌道拖人更高的軌道，例如月球軌道或者更遠(yuǎn)的軌道。不幸的是，所有這些想法最后都只停留在圖板上，因?yàn)檎麄€(gè)計(jì)劃在1972年被取消。

滿足深空探索需要

迄今，美國(guó)已經(jīng)成功將人類送上月球。阿波羅時(shí)代后，美國(guó)又進(jìn)入航天飛機(jī)時(shí)代。核技術(shù)遭到很多公眾的反對(duì)，利用核熱火箭實(shí)施載人火星任務(wù)在預(yù)算上將是一個(gè)驚人數(shù)字，所有這些都讓美國(guó)國(guó)會(huì)不得不謹(jǐn)慎對(duì)待。如果放棄載人火星任務(wù)，美國(guó)政府就沒有任何有說服力的理由研制核熱火箭。因此，盡管滿足了除重啟60次和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10小時(shí)以外的所有測(cè)試指標(biāo)，漫游者/核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用計(jì)劃最后還是被取消。

漫游者，核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用計(jì)劃的所有火箭都使用钚-238，這是一種非裂變同位素，半衰期為88年。由于半衰期較短，從天然形成的钚中分離出這種特定的同位素難度較大。通常情況下，利用伯克萊實(shí)驗(yàn)室的格倫·西博格和埃德溫·麥克米倫于1940年研發(fā)的方式合成钚-238，即利用氘核轟擊鈾-238。對(duì)于深空探索來(lái)說，钚-238無(wú)疑是一個(gè)昂貴的日用品。進(jìn)入深空后，太陽(yáng)能電池板便失去了原有的作用。美國(guó)航空航天局的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器也采用钚-238，為絕大多數(shù)深空探索任務(wù)提供能量。钚的導(dǎo)電性很差，衰變產(chǎn)生大量熱量，驅(qū)動(dòng)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器時(shí)會(huì)產(chǎn)生阿爾法粒子輻射。著名的“旅行者”號(hào)飛船、“卡西尼”號(hào)飛船、“好奇”號(hào)火星車以及“新地平線”號(hào)探測(cè)器都依賴于核能執(zhí)行探索任務(wù)。

三種堆芯

固態(tài)堆芯。最簡(jiǎn)單的堆芯設(shè)計(jì)利用固態(tài)燃料（例如“幾維”和“太陽(yáng)神”采用的盤和小球）加熱液態(tài)氫氣，產(chǎn)生熱量和推進(jìn)力。由于受到反應(yīng)堆安全殼熔點(diǎn)的限制，這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生的溫度在22K～300K之間。在使用液態(tài)氫推進(jìn)燃料的情況下，固態(tài)堆芯在850秒～1000秒內(nèi)產(chǎn)生的推動(dòng)力是航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍。

液態(tài)堆芯。如果不將核燃料放入石墨柵陣，而是把燃料球直接與液態(tài)氫混合在一起，最后制造出的液態(tài)堆芯發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生超過核燃料熔點(diǎn)的溫度——至少理論上如此。沒有人制造出液態(tài)堆芯發(fā)動(dòng)機(jī)。將放射性燃料注入發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，允許工作流體存在是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，不過，與球形燃料反應(yīng)堆類似的旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)可以利用向心力將二者分離，這讓研究人員看到了希望。

氣態(tài)堆芯。研制氣態(tài)堆芯反應(yīng)堆的難度甚至超過液態(tài)堆芯，需要讓氫氣蒸汽環(huán)繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)的“鈾氣囊”。由于燃料不與吸熱堆芯室壁接觸，溫度可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)K，在3000秒～5000秒內(nèi)產(chǎn)生30千牛-50千牛的推進(jìn)力。

面臨燃料短缺

在擱置了幾十年后，美國(guó)航空航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局（在冷戰(zhàn)期間研制了很多核熱火箭，但從未對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試）于2012年4月宣布，他們將重新研發(fā)核發(fā)動(dòng)機(jī)火箭技術(shù)，同時(shí)展開一項(xiàng)投資6億美元的聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃，法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、中國(guó)和日本也可能參與其中。

馬歇爾太空飛行中心正在研制自己的核低溫推進(jìn)級(jí)，作為未來(lái)太空發(fā)射系統(tǒng)的一部分。這個(gè)上級(jí)將由液態(tài)氫燃料進(jìn)行超冷卻，在安全離開大氣層后啟動(dòng)裂變反應(yīng)。不過，由于自美國(guó)航空航天局最后一次測(cè)試核熱火箭技術(shù)之后地面核試驗(yàn)被全面禁止，研究人員不得不借助馬歇爾太空飛行中心的核熱火箭元素環(huán)境模擬器進(jìn)行研究。這個(gè)模擬器可以精確模擬核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各組件之間的交互作用，允許火箭學(xué)家在不產(chǎn)生輻射塵的情況下對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。美國(guó)航空航天局研究員、核熱火箭元素環(huán)境模擬器管理人員比爾·伊默里奇表示：“我們利用這個(gè)測(cè)試設(shè)施獲取的信息能夠防止工程師的設(shè)計(jì)存在缺陷，提高燃料元件和核推進(jìn)系統(tǒng)的效率。我們希望能夠在不久的將來(lái)研制出一個(gè)可靠的，并且具有成本效益的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/p>

在研發(fā)這一革命性的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)過程中，美國(guó)航空航天局面臨著燃料短缺問題。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)便從未生產(chǎn)過钚-238。據(jù)估計(jì)，美國(guó)現(xiàn)存的钚-238將在這個(gè)10年結(jié)束前耗光。美國(guó)航空航天局宣布美國(guó)能源部將在2017年再次生產(chǎn)钚-238。能源部太空與防御動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)人瓦德·卡羅爾在2012年3月舉行的核與新興空間技術(shù)會(huì)議上表示：“我們將重新開始生產(chǎn)钚。在獲得新钚前，我們可能需要等待5年或者6年時(shí)間?！蹦茉床坑?jì)劃每年生產(chǎn)1400克-1800克钚，足以滿足機(jī)器人行星探索任務(wù)的需要。我們現(xiàn)在需要的就是研制行星際飛船。