２４小時(shí)到達(dá)月球

鄒聲武

30多年前一些預(yù)言家曾指出，在“阿波羅”計(jì)劃之后，將出現(xiàn)商業(yè)空天飛機(jī)、永久性空間站以及人們將在地球和月球聚居地之間往返飛行。目前，美國航空航天局正在建造國際空間站，還在驗(yàn)證單級(jí)入軌可重復(fù)使用的運(yùn)載器技術(shù)。今后10～15年，可能開發(fā)出兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——更先進(jìn)的核推進(jìn)技術(shù)和月球氧。這兩項(xiàng)技術(shù)將為未來的更先進(jìn)、更經(jīng)濟(jì)的月球運(yùn)輸系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

兩項(xiàng)技術(shù)

目前航天運(yùn)載火箭的推進(jìn)技術(shù)，大部分是采用液氧/液氫化學(xué)推進(jìn)劑，或是一次性使用的或是部分可重復(fù)使用的。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)常性的月球飛行，需要新的推進(jìn)技術(shù)，熱核火箭便是其中之一。

90年代初，美國劉易斯研究中心研究了熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，即核裂變能火箭的推力。研究表明：核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖高（850～1000秒），推力大（6795～33976公斤力）。熱核火箭有許多優(yōu)點(diǎn)：1崩用它可完成整個(gè)空間飛行的推進(jìn)任務(wù)；

2比群嘶鵂推進(jìn)的月球運(yùn)載器和月球著陸器可重復(fù)使用；

3庇氬糠摯芍馗詞褂玫目掌制動(dòng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)相比，其近地軌道初始質(zhì)量更小。

不過，它的可重復(fù)使用性能也存在先天不足。其一是它只能在大氣層外使用。因此，必須在近地軌道建造永久性設(shè)施，如液氧推進(jìn)劑補(bǔ)給站或一次性使用的推進(jìn)劑貯箱，以便給熱核火箭添加燃料。其二是它專門使用低密度液氫。這就增加了月球運(yùn)輸飛行器的尺寸，而且需要直徑10米的有效載荷防護(hù)罩加到運(yùn)載火箭上。

1994年，美國劉易斯研究中心和航空航天局提出一種“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”方案，就是把傳統(tǒng)的液氫冷卻的熱核火箭與超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合起來。它的主要組成部分包括一座核裂變反應(yīng)堆和使推進(jìn)劑受熱膨脹加速的噴管、液氧供給系統(tǒng)和貯箱，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)過程中，氧被注入熱核火箭噴管的大型擴(kuò)散段。該噴管相當(dāng)于一個(gè)“后燃燒室”。被核反應(yīng)堆加熱的氫從噴管喉部噴出，并與氧在噴管擴(kuò)散段自發(fā)地燃燒，從而增加了超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)所必需的質(zhì)量和能量。

“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”有潛力成為通用的推進(jìn)系統(tǒng)。通過改變氫氧混合比，核反應(yīng)堆產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的輸出能量時(shí)，就可以使該熱核火箭在更寬的推力和比沖范圍內(nèi)工作。其推力增加了，這種更小、更便宜、更易于測(cè)試的熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就可以替換通常采用化學(xué)推進(jìn)劑的“大發(fā)動(dòng)機(jī)”，并縮短了燃燒時(shí)間，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。而且，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”將會(huì)更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而直接補(bǔ)充月球氧，這將極大地減小運(yùn)載器的尺寸和質(zhì)量，增加了有效載荷的重量。

月球表面有豐富的氧，幾乎一半的月球表面物質(zhì)都是氧，而且有多種技術(shù)將其提煉?！鞍⒉_”17號(hào)登月飛船采集來的富鐵火山巖或稱“桔紅色土壤”的這種物質(zhì)，是月球氧的生產(chǎn)原料。這種物質(zhì)大量存在，并已被顆?；?，可不經(jīng)處理直接供給未來的月球氧生產(chǎn)廠。美國約翰遜航天中心作過實(shí)驗(yàn)，大約25噸富鐵火山巖原料可生產(chǎn)一噸氧。將來，月球氧可為生命保障系統(tǒng)、燃料貯箱和月球著陸器的液氧/ 液氫化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供氧源。在月球上生產(chǎn)的氧如此豐富，可以使運(yùn)載器從地球上攜帶的氧大為減少，并減小運(yùn)載系統(tǒng)的尺寸。運(yùn)載器節(jié)省下來裝填液氧的空間，可以運(yùn)送大量高價(jià)搭載物，如人、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和科學(xué)儀器等。

登月之初，核反應(yīng)堆將起著關(guān)鍵的作用。在兩個(gè)星期的時(shí)間里，核反應(yīng)堆在低重力條件下可提供足夠的能量，以保障遙控月面車輛、生產(chǎn)廠和居住艙的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著月球氧生產(chǎn)規(guī)模和性能的提高，其應(yīng)用范圍也將擴(kuò)大，包括金屬加工（如鐵和鈦），月球著陸器和近月軌道推進(jìn)劑補(bǔ)給艙的維持、運(yùn)轉(zhuǎn)，以及為開發(fā)月球旅游業(yè)服務(wù)。

如何將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

美國航空航天局研究過利用月球軌道匯合點(diǎn)，實(shí)施月球旅行、建立月球運(yùn)輸系統(tǒng)的任務(wù)。其構(gòu)想是：（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）盡可能增大每次在月球登陸的有效載荷；（4）盡量減少月球往返旅途的“重復(fù)使用費(fèi)用”。為了達(dá)到上述目的，可采取如下的做法。

第一步，先建造月球氧生產(chǎn)廠。使用一次性的“完全液氫”的熱核火箭，最大限度地向月面運(yùn)送有效載荷；每次飛行增加的有效載荷專門用于運(yùn)送“模塊化”的月球氧生產(chǎn)設(shè)備，開發(fā)和應(yīng)用月球氧；盡早為月球著陸器和月球運(yùn)載器充氧，并逐漸過渡到使用“液氧增強(qiáng)型核火箭”。

然后利用政府撥款的節(jié)余和月球氧工業(yè)的利潤，發(fā)展另外的“空間設(shè)施”，如建造近地軌道和近月軌道推進(jìn)劑補(bǔ)給站，以支持以后的運(yùn)載器的重復(fù)使用。

在建成了月球氧補(bǔ)給站之后，可使用兩架推力為66噸的航天飛機(jī)，將設(shè)備部件運(yùn)送到近地軌道的匯合點(diǎn)，完成飛向月球運(yùn)載器的組裝。

當(dāng)月球前哨的重要器材和月球氧的生產(chǎn)水平足夠支持以月球表面為基地的月球著陸器時(shí)，就算成功地邁出了減少空間運(yùn)輸費(fèi)用的第一步。而一次性使用的熱核火箭也有了足夠的推進(jìn)劑在重復(fù)使用的模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，它能將至少9噸的有效載荷運(yùn)到近月軌道。在每次執(zhí)行新任務(wù)之前，一次性使用的航天飛機(jī)推進(jìn)劑貯箱將為熱核火箭重新加注燃料。

第二步，當(dāng)月球氧可在近月軌道使用時(shí)，兩個(gè)推力為6795公斤力的熱核火箭將采用液氧推進(jìn)劑補(bǔ)給系統(tǒng)和雙推進(jìn)劑工作的加力燃燒室。最初應(yīng)用這個(gè)“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”的是較小的、可重復(fù)使用的月球運(yùn)載器。它每次飛行至少能將36噸貨物和地球供給的液氫送到近月軌道。以月面為基地的月球著陸器將運(yùn)送月球氧到近月軌道補(bǔ)給站，之后裝上從地球運(yùn)來的液氫和其他貨物返回月球。

采用“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”為動(dòng)力的月球運(yùn)載器，返回地球時(shí)可以多帶回21噸月球氧。在往返路上，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氧混合比為3，推力可提高到275％。推力的增加將整個(gè)飛行工作時(shí)間減少了約30分鐘，因此，可成倍延長(zhǎng)“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

典型的月球旅行方案

隨著月球氧的大量生產(chǎn)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)的投入使用，最初的月球前哨基地，將成為代表政府和私營風(fēng)險(xiǎn)事業(yè)的科學(xué)家和工程師們永久性定居點(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)，這種航天飛機(jī)單程往返一次的時(shí)間約為24小時(shí)——相當(dāng)于從華盛頓特區(qū)到澳大利亞悉尼的時(shí)間。在“阿波羅”計(jì)劃中，用“土星”5運(yùn)載火箭3天半到達(dá)月球，飛行速度需要41公里／秒；而24小時(shí)到達(dá)月球的旅行，飛行速度要達(dá)到69公里／秒。

裝備“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”的航天飛機(jī)可以在一天內(nèi)將15噸搭載貨物運(yùn)抵月球。在通常往返于地球和月球之間的飛行中，我們假設(shè)“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”航天飛機(jī)使用“地球供給”的43噸液氫與105噸液氧，以及92噸月球氧，它的兩臺(tái)“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作時(shí)間約47分鐘，那么，它離開時(shí)氫氧混合比為4（總推力約為4391公斤力，比沖約為607秒），歸航時(shí)混合比為6（總推力約55266公斤力，比沖約545秒），幾乎是達(dá)到了最佳性能，這樣的性能允許運(yùn)載器組件可以制作得足夠大。其乘客艙直徑大約46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)載火箭將其運(yùn)抵近地軌道。

“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”推進(jìn)與月球氧相結(jié)合的推進(jìn)系統(tǒng)，可以達(dá)到約1500到2000秒的“有效比沖”，是相當(dāng)高的性能指標(biāo)。相比較而言，一個(gè)使用化學(xué)推進(jìn)劑的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)（推進(jìn)劑質(zhì)量系數(shù)為088，比沖約為480秒），其近地軌道初始質(zhì)量和需要的月球氧，比執(zhí)行同樣航天飛行任務(wù)的“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”高出2到3倍。

那末，空間旅行如何開始呢？乘客首先搭乘一架未來的穿過大氣層的航天飛機(jī)或可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭飛往國際空間站。在那里他們將進(jìn)入乘客運(yùn)輸艙，艙內(nèi)有自身生命保障系統(tǒng)，儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)以及輔助推進(jìn)系統(tǒng)。乘客運(yùn)輸艙是“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”推動(dòng)的航天飛機(jī)的重要組成部分，裝有電子控制操縱系統(tǒng)。它是18名乘客和2名乘務(wù)員去月球途中的家。從國際空間站分離后，乘客運(yùn)輸艙與在安全距離外等候、已加足燃料的“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，航天飛機(jī)迅速爬高脫離近地球軌道。

經(jīng)過24小時(shí)的飛行之后，航天飛機(jī)到達(dá)近月軌道，乘客運(yùn)輸艙分離，與等在那里的月球著陸器對(duì)接。近月軌道上的推進(jìn)劑補(bǔ)給站為軌道上的航天飛機(jī)加注充足的月球氧，以使航天飛機(jī)返回地球軌道。月球著陸器加上從地球帶來的液氫，送乘客運(yùn)輸艙到月球表面。乘客運(yùn)輸艙由自身的電子控制系統(tǒng)操縱進(jìn)行月面行走。而后，它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)、主要的小行星等。在不久的將來，“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”和月球氧方案將能向公眾提供革命性的空間運(yùn)輸?！?/p>