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        核動力火箭項目的成果

        2020-05-19 00:57:24松堂
        太空探索 2020年5期
        關(guān)鍵詞:漫游者核動力堆芯

        文/ 松堂

        雖然由于預(yù)算消減和重點轉(zhuǎn)移等一系列原因,美國早期的核動力火箭研究項目最終被取消,但是這個項目本身還是取得了豐碩的成果。

        “漫游者計劃”

        “漫游者計劃”項目包括3個主要階段:“獼猴桃”(1955年至1964年)、“菲布斯”(1964年至1969年)和“佩維”(1969年至1972年年底項目取消)。計劃中的核反應(yīng)堆是在洛斯阿拉莫斯的帕賈里托基地組裝的。實際上,工程師們?yōu)槊颗_發(fā)動機(jī)建造了兩個反應(yīng)堆,一個用于在洛斯阿拉莫斯進(jìn)行的“零功率臨界”試驗,另一個用于在前內(nèi)華達(dá)州沙漠試驗場(現(xiàn)內(nèi)華達(dá)州國家安全試驗場)進(jìn)行全功率試驗。發(fā)動機(jī)的燃料和內(nèi)部發(fā)動機(jī)部件是在洛斯阿拉莫斯的西格瑪工廠制造的。

        后來擔(dān)任國家核安全局核試驗辦公室主任的羅伯特·漢拉漢曾經(jīng)參與了“漫游者計劃”,從他為媒體提供的檔案照片上看,獼猴桃-A和菲布斯-1核反應(yīng)堆的體積都相當(dāng)緊湊,放在家里取暖顯然是太大了,但是裝進(jìn)重型火箭里肯定是沒問題的。菲布斯-1核反應(yīng)堆現(xiàn)在位于內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯的原子能測試博物館內(nèi)。

        核動力火箭發(fā)動機(jī)

        1961年,美國宇航局和原子能委員會開始了第二個核火箭項目,名為NERVA,意思就是“核動力火箭發(fā)動機(jī)”,利用科學(xué)家在設(shè)計、建造和測試探測器研究項目反應(yīng)堆時獲得的知識,來開發(fā)實用的火箭發(fā)動機(jī),使其能夠經(jīng)受住航天發(fā)射的沖擊和振動。從1964年到1969年,西屋電氣公司和阿羅杰特-通用公司團(tuán)隊在NERVA項目下分別建造了幾種反應(yīng)堆和火箭發(fā)動機(jī)。

        ▲ NERVA核動力發(fā)動機(jī)

        ▲ 技術(shù)人員在J-1試驗臺檢查實驗用銅噴管,以研究核火箭噴管的傳熱特性

        ▲ 獼猴桃-A原子反應(yīng)堆

        1969年,NERVA項目所取得的進(jìn)展和成功讓沃納·馮·布勞恩大感欣慰。這位當(dāng)時擔(dān)任美國宇航局米歇爾航天飛行中心主任的德國人提出了自己的狂想:用兩枚火箭發(fā)射飛船,向火星著陸12名考察隊員,每枚火箭由3臺NERVA發(fā)動機(jī)驅(qū)動。按照他的計算,如果火箭在1981年11月發(fā)射,1982年8月就能登陸火星。

        盡管這次任務(wù)并沒有真的實施,但在此期間的測試發(fā)現(xiàn),NERVA核動力火箭發(fā)動機(jī)幾乎符合美國宇航局的所有規(guī)范要求,包括推力、推重比、比沖、發(fā)動機(jī)重啟能力和發(fā)動機(jī)壽命。到1972年,當(dāng)“漫游者”/NERVA項目被取消時,唯一沒有完成的測試項目就只剩下重啟60次且總共運行10小時。

        而且,項目中有一臺發(fā)動機(jī)的性能超過了NERVA的任務(wù)要求。洛斯阿拉莫斯國家實驗室設(shè)計、制造和測試的菲布斯S-2A發(fā)動機(jī)可產(chǎn)生高達(dá)4000兆瓦的熱功率,是當(dāng)時最強大的核推進(jìn)反應(yīng)堆。

        核熱反應(yīng)堆

        ▲ 在B-1試驗臺安裝獼猴桃B-1B核發(fā)動機(jī),以研究其在初始啟動階段的性能(1963-11-4).

        在“漫游者計劃”/NERVA項目期間,科學(xué)家們對核動力火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行了22次大型試驗。其中許多試驗探索了用反應(yīng)堆驅(qū)動火箭出現(xiàn)復(fù)雜問題時的潛在解決方案。為了生產(chǎn)出實用的火箭,必須解決材料穩(wěn)定性、相容性和腐蝕性方面的重大問題,這比在地球上運行的核反應(yīng)堆復(fù)雜多了。

        空間推進(jìn)和地面核電站的反應(yīng)堆,其間的主要區(qū)別是堆芯的溫度。在核動力火箭反應(yīng)堆中,溫度必須盡可能高才能達(dá)到最佳性能。因此,“獼猴桃A”試驗的堆芯溫度高達(dá)2683開爾文(開爾文是絕對溫標(biāo),把攝氏溫度減去273.15就得到了以開爾文計量的溫度),而核電站用壓水堆的堆芯溫度僅為600開爾文左右。

        核動力火箭反應(yīng)堆和核電站反應(yīng)堆的一個主要區(qū)別是冷卻系統(tǒng)的工作介質(zhì)。核火箭使用氫,而發(fā)電廠用水。氫是核動力火箭最好的推進(jìn)劑氣體,然而,在如此高的溫度下使用氫氣帶來了許多挑戰(zhàn)。

        ▲ 獼猴桃火箭發(fā)動機(jī)剖面圖

        ▲ 獼猴桃核反應(yīng)堆電源在內(nèi)華達(dá)沙漠被故意破壞,以模擬發(fā)射失敗的影響

        ▲ 在測試單元中的獼猴桃發(fā)動機(jī)

        ▲ 制造車間的技術(shù)人員在真空爐中檢測獼猴桃B-1噴管,以便在B-1試驗臺上進(jìn)行試驗

        堆芯最重要

        所有的“漫游者計劃”/NERVA項目反應(yīng)堆都有堆芯。研究人員為核動力火箭推進(jìn)設(shè)計了液冷和氣冷兩種反應(yīng)堆,甚至對這些設(shè)計的部件進(jìn)行了小規(guī)模試驗,但只建造了核反應(yīng)堆堆芯的固體部分。很少有材料能夠在核動力火箭反應(yīng)堆的堆芯溫度下保持固態(tài)。從結(jié)構(gòu)上講,一些具有高熔點的金屬和陶瓷(所謂的“難熔”材料)可以用來建造堆芯,但到底選擇什么材料,取決于它們與中子的相互作用。

        ▲ 在這個三級核火箭中,航天員將被安置在上面一級,用屏蔽隔板將他們與發(fā)動機(jī)隔開

        例如,鎢作為熔點最高的金屬,在3695開爾文時會強烈吸收中子,特別是“慢”中子,其能量遠(yuǎn)小于一個電子伏。因此“漫游者計劃”項目的堆芯使用鎢作為燃料基材。然而,鎢材料的加工技術(shù)在當(dāng)時還不夠成熟,超出了該計劃的范疇。因此,“漫游者計劃”計劃將重點轉(zhuǎn)向石墨核反應(yīng)堆。

        石墨是碳的結(jié)晶形式,在高溫下表現(xiàn)良好,因為它是所有元素中熔點最高的。石墨不僅能在高溫下保持其強度,而且實際上強度會更大。石墨長期以來一直被用于各種高溫工業(yè)應(yīng)用。因此,科學(xué)家開始考慮將其用于“漫游者計劃”的反應(yīng)堆。

        ▲ NERVA 核動力火箭發(fā)動機(jī)點火

        世界上第一個裂變反應(yīng)堆和許多后繼的反應(yīng)堆都是用石墨磚作為堆芯的,鈾棒分散地插進(jìn)堆芯。石墨具有良好的中子學(xué)性質(zhì),是良好的弱中子吸收體、良好的中子反射體和慢化劑。然而,普通的石墨反應(yīng)堆永遠(yuǎn)不會遇到核火箭那種極端條件。把石墨堆裝進(jìn)火箭會發(fā)生什么事情,人們當(dāng)時不得而知。

        科學(xué)家們很早就懷疑,石墨在用于核動力火箭反應(yīng)堆時可能會造成嚴(yán)重的問題。因為這種火箭最好的推進(jìn)劑氣體是氫。在“漫游者計劃”項目的發(fā)動機(jī)中,大量的氫從儲罐中噴射出來,經(jīng)過一些反應(yīng)堆部件,然后以很高的壓力通過反應(yīng)堆堆芯內(nèi)核燃料棒之間的通道。這一過程讓氫達(dá)到很高的溫度,迅速腐蝕了反應(yīng)堆中的石墨。

        為了防止石墨被腐蝕,科學(xué)家在氫管道的內(nèi)表面涂上了一層薄的碳化鈮(NbC)薄膜。

        任務(wù)取消

        ▲ NERVA當(dāng)年的控制室

        ▲ F站曾用來研究核火箭發(fā)動機(jī)熱交換器

        ▲ 1967年初,菲布斯1B型核動力火箭發(fā)動機(jī)被移至試驗場

        美國航天局對NERVA的計劃,包括1979年訪問火星、1981年建立永久性月球基地。NERVA火箭將作為核動力“拖船”,用于將有效載荷從低地球軌道轉(zhuǎn)移到更高、更遠(yuǎn)的軌道,此后將作為空間運輸系統(tǒng)的一部分而存在。NERVA火箭還將用來改造土星火箭,替換原來的化學(xué)燃料發(fā)動機(jī),這樣就能夠向低地球軌道發(fā)射154噸的有效載荷。

        事實上,“漫游者計劃”項目取得的成果遠(yuǎn)不止前面所列舉的這些,但是在1973年,“漫游者計劃”/NERVA項目被取消了。盡管這個項目本身非常成功,但后來阿波羅的載人航天任務(wù)幾乎被砍光了。美國國會認(rèn)為,載人火星任務(wù)成本太高,為這一項目提供資金,將迫使美蘇之間繼續(xù)開展代價高昂的“太空競賽”,這是美國無法承受的。其實,當(dāng)NERVA被取消時,NERVA-2已經(jīng)達(dá)到了任務(wù)的所有目標(biāo),有兩臺發(fā)動機(jī)已經(jīng)裝進(jìn)了火箭,但核動力火箭再也沒有得到運送航天員執(zhí)行太空任務(wù)的機(jī)會。

        在研制當(dāng)中,“漫游者計劃”/NERVA取得了以下記錄:

        4500兆瓦的熱功率;

        3311開爾文排氣溫度;

        113千牛推力;

        850秒比沖;

        90分鐘的燃燒時間;

        推力重量比為3:4。

        除了證明核空間推進(jìn)的可行性之外,“漫游者計劃”/NERVA項目人員還發(fā)表了大約100篇技術(shù)論文,涉及石墨、石墨粉和其他形式的碳特性。該計劃還產(chǎn)生了幾個重要的副產(chǎn)品,包括室溫石墨制造工藝和用金屬碳化物薄膜覆蓋石墨的方法。

        此外,用熱解石墨包覆碳化鈾粒子的技術(shù)最終導(dǎo)致了現(xiàn)在用于商業(yè)高溫氣冷反應(yīng)堆發(fā)電的TRISO燃料球。然而,該計劃最重要的附帶產(chǎn)品是熱管。

        熱管目前是洛斯阿拉莫斯研究計劃的核心之一,稱為熱管動力系統(tǒng)(HPS)反應(yīng)堆,利用熱管將堆芯的熱量傳遞給熱電元件或熱機(jī)。

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