文/ 李嵩

1962年9月，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)約翰·肯尼迪在賴(lài)斯大學(xué)的演講中，發(fā)表了著名的《登月宣言》，“我們決定在這10年間登上月球并實(shí)現(xiàn)更多夢(mèng)想，并非它們輕而易舉，而正是因?yàn)樗鼈兝щy重重?！碑?dāng)年，美國(guó)宇航局的太空計(jì)劃可謂雄心勃勃，肯尼迪口中的更多夢(mèng)想，除了載人登陸火星和建立月球永久基地，甚至還包括“到達(dá)太陽(yáng)系的邊緣”。

雄心勃勃的“火星計(jì)劃”

馮·布勞恩在早年發(fā)表的一本小冊(cè)子《火星計(jì)劃》中，對(duì)人類(lèi)登陸火星的方案進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃和論證。受困于化學(xué)能火箭的低效，布勞恩的地球到火星之旅單程就長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月。每個(gè)航天員都要攜帶12噸氧氣、8噸食物和13噸飲用水，除了要承受長(zhǎng)期狹小空間內(nèi)的幽閉，還不得不直接暴露于或許會(huì)致命的宇宙輻射中。

為了能在1978年實(shí)現(xiàn)載人登火的目標(biāo)，美國(guó)宇航局把目光投向了熱核火箭。用核反應(yīng)堆代替化學(xué)燃料的燃燒來(lái)對(duì)工質(zhì)加熱，將可以使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在消耗更少燃料的情況下，獲得更大的速度增量，從而將地球到火星的飛行時(shí)間縮短一半以上，甚至有希望在100天以?xún)?nèi)就完成旅程。這既意味著可以砍掉很多供航天員維生的物資重量，也將大幅減少航天員在宇宙輻射中暴露的時(shí)間。最關(guān)鍵一點(diǎn)，熱核火箭的出現(xiàn)，將使人類(lèi)不必再等待26個(gè)月才出現(xiàn)一次的霍曼轉(zhuǎn)移軌道周期，地火之間的飛行窗口將有更多的靈活性。

▲ 幾維鳥(niǎo)-B4A發(fā)動(dòng)機(jī)

應(yīng)運(yùn)而生的熱核火箭

除了“火星計(jì)劃”，美國(guó)宇航局還計(jì)劃讓熱核火箭在建設(shè)駐月球永久基地和“土星5號(hào)”發(fā)展型中扮演重要角色。為了加速熱核火箭的研究，美國(guó)宇航局和原子能委員會(huì)聯(lián)合成立了航天核推進(jìn)辦公室，協(xié)同領(lǐng)導(dǎo)熱核火箭的研發(fā)工作，其中原子能委員會(huì)負(fù)責(zé)核反應(yīng)堆的部分，其余非核部分由美國(guó)宇航局負(fù)責(zé)。

▲ 沒(méi)有翅膀的幾維鳥(niǎo)

航天核推進(jìn)辦公室選擇了洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)熱核火箭的原理性研究工作，他們之前在美國(guó)空軍核動(dòng)力飛機(jī)的小型核反應(yīng)研制中積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，為了對(duì)比不同工質(zhì)、結(jié)構(gòu)和循環(huán)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的工程師們建造了大大小小的十幾個(gè)核反應(yīng)堆開(kāi)展了廣泛的實(shí)驗(yàn)，想要摸索出一種理想的熱核火箭構(gòu)建方式。他們給地面試驗(yàn)用的熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)起名叫做“幾維鳥(niǎo)”，這種小鳥(niǎo)是新西蘭的特有物種，身材小巧而粗短，外形上和熱核火箭的樣子很吻合，但又因?yàn)樘焐鸁o(wú)翼，只能在地上奔跑，這似乎也預(yù)示了整個(gè)計(jì)劃的最終結(jié)局。

1962年9月1日，在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州沙漠深處，“幾維鳥(niǎo)-B1B”反應(yīng)堆被激活，液氫作為推進(jìn)劑和冷卻劑流進(jìn)堆芯，與2000攝氏度的燃料棒接觸后被迅速加熱，并加速?lài)姵?。但?dāng)反應(yīng)堆功率提升到900兆瓦后不到一分鐘，反應(yīng)堆就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，二氧化鈾和放射性同位素跟著工質(zhì)一起被排入了大氣，試驗(yàn)即刻中止，人類(lèi)核動(dòng)力航天的序幕才剛徐徐拉來(lái)就又被合上了。由于在之后的幾次試驗(yàn)中又連續(xù)發(fā)生了諸如反應(yīng)堆解體噴出、融堆等惡性事故，在之后舉行的預(yù)算聽(tīng)證會(huì)上，出于安全性的考慮，核火箭項(xiàng)目被勒令停止后續(xù)的飛行試驗(yàn)計(jì)劃，而只進(jìn)行地面測(cè)試和試驗(yàn)。

為了回答安全性的質(zhì)疑，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了一次“幾維鳥(niǎo)-爆炸”試驗(yàn)，反應(yīng)堆在超臨界狀態(tài)下僅用156毫秒就發(fā)生了爆炸，但并不是核爆炸，核裂變高溫汽化的石墨僅僅炸飛了反應(yīng)堆的外殼，現(xiàn)場(chǎng)看起來(lái)僅是一場(chǎng)大型煙花秀，而沒(méi)有出現(xiàn)壯觀(guān)的蘑菇云。

生不逢時(shí)的“幾維鳥(niǎo)”

回答了安全性的問(wèn)題，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減少燃料棒腐蝕方面取得了重大技術(shù)突破，使“幾維鳥(niǎo)”反應(yīng)堆具備了參加“反應(yīng)堆-發(fā)動(dòng)機(jī)”地面聯(lián)合試驗(yàn)的條件。

▲ “幾維鳥(niǎo)”反應(yīng)堆爆炸試驗(yàn)

▲ NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)

1964年，旨 在 開(kāi) 發(fā) 以“幾 維鳥(niǎo)-B4E”反應(yīng)堆為熱力核心的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)計(jì)劃——“火箭運(yùn)載器應(yīng)用核發(fā)動(dòng)機(jī)”（NERVA）項(xiàng)目正式啟動(dòng)，美國(guó)宇航局選擇了航空噴氣和西屋兩家公司作為承包商承擔(dān)研發(fā)任務(wù)，而洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室則繼續(xù)在“幾維鳥(niǎo)”基礎(chǔ)上進(jìn)行下一代核反應(yīng)堆的研制。

NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，加壓的液氫燃料由貯箱流出，被燃料泵再次增壓后進(jìn)入噴管壁面的冷卻通道，吸熱升溫，之后除一小部分用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪泵之外，大部分氫燃料進(jìn)入反應(yīng)堆與壓力容器外殼之間的反射層內(nèi)，冷卻反射層和置于其中的控制棒，吸收大量熱的同時(shí)汽化膨脹，最后由噴管?chē)姵觯a(chǎn)生推力。

NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)全高6.7米，外觀(guān)看起來(lái)和一般的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有太大區(qū)別，只是用一個(gè)柱狀的反應(yīng)堆壓力外殼取代了燃燒室，驅(qū)動(dòng)渦輪泵的循環(huán)方案選擇了開(kāi)式熱循環(huán)，這樣可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)和測(cè)試渦輪泵系統(tǒng)而無(wú)需和整個(gè)系統(tǒng)整合，這主要是順應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)再逐漸加入系統(tǒng)聯(lián)試的模塊化研制方式，這樣可以降低研制風(fēng)險(xiǎn)，提升安全性。

▲ NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

▲ 系統(tǒng)聯(lián)試狀態(tài)的NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 聯(lián)試狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼內(nèi)設(shè)備情況

▲ 完整狀態(tài)NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)參試狀態(tài)

NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)第一階段的前兩次試驗(yàn)都以測(cè)試核反應(yīng)堆性能為主，1966年2月在之前“核反應(yīng)堆試驗(yàn)”發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上加入了渦輪泵系統(tǒng)，進(jìn)行了一次比較完整的系統(tǒng)聯(lián)試，試驗(yàn)中渦輪泵和反應(yīng)堆都可以按照要求多次重復(fù)啟動(dòng)，在整個(gè)將近2小時(shí)的運(yùn)行期間，在很寬的范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)都可以穩(wěn)定工作，各部件的耐久性得到了充分驗(yàn)證?！皫拙S鳥(niǎo)”反應(yīng)堆全功率運(yùn)行了28分鐘，創(chuàng)造了新的反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間記錄。

▲ 完整狀態(tài)NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1969年，NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)迎來(lái)了第一階段的大考，在這次完整狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，幾乎全部發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)都具備了實(shí)際飛行狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在沒(méi)有外部供能的情況下自行啟動(dòng)，并經(jīng)受了各種可能的飛行條件的考核，反應(yīng)堆受控重復(fù)啟動(dòng)了28次，完全驗(yàn)證了所有設(shè)計(jì)功能，展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)悍性能，并在穩(wěn)定運(yùn)行115分鐘后關(guān)閉。試驗(yàn)的成功證明了NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)已具備了太空飛行的能力，并且其比沖（火箭發(fā)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)）超過(guò)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)2倍以上，一個(gè)由熱核火箭驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)系大航海時(shí)代似乎即將到來(lái)。

但隨著美國(guó)國(guó)內(nèi)政局和輿論的快速轉(zhuǎn)向，美國(guó)宇航局的預(yù)算被大幅縮減，“火星計(jì)劃”和“月球基地”項(xiàng)目被砍，“土星5號(hào)”火箭生產(chǎn)線(xiàn)被關(guān)閉，NERVA發(fā)動(dòng)機(jī)一下子失去了應(yīng)用目標(biāo)，被裁撤就變成了順理成章的事情。洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室對(duì)小型核反應(yīng)堆的研究則堅(jiān)持到了1972年，也不得不終止，沒(méi)有翅膀的“幾維鳥(niǎo)”雖然擁有了核的心臟，最終也沒(méi)有能夠離開(kāi)地面?！?/p>