２４小時(shí)到達(dá)月球（上）

●鐘建業(yè)

大約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)、大型軌道空間站以及人們將在地球和逐漸擴(kuò)大的月球聚居地之間往返飛行。目前，美國(guó)航空航天局正在著手建造國(guó)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)。除此而外，美國(guó)航空航天局的人類空間探索與開發(fā)初始計(jì)劃還預(yù)想了利用地球以外的資源和開發(fā)創(chuàng)新性推進(jìn)技術(shù)，這對(duì)最初到月球然后到火星的載人太空旅行而言是不可缺少的。今后10年～15年間可能被開發(fā)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——月球氧和更先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)可能為今后具有更先進(jìn)技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的月球運(yùn)輸系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

月 球 氧

由月球提供的氧經(jīng)常被認(rèn)為是在月球表面上將被開發(fā)的最有用途的一種資源。由于它可為生命保障系統(tǒng)、燃料箱和月球著陸火箭的液氫化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)提供當(dāng)?shù)氐难踉?，它將減少月球運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)射費(fèi)用、尺寸，在低地軌道上的初始質(zhì)量和復(fù)雜性。這樣就可以利用裝液氧的空間運(yùn)送大量高價(jià)搭載物，比如人、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和科學(xué)儀器等，從而減少了月球運(yùn)輸系統(tǒng)每次任務(wù)所需的費(fèi)用。

考慮將月球氧作為潛在商業(yè)產(chǎn)品的另一個(gè)重要原因是它很豐富。將近一半的月球表面物質(zhì)中有氧的成分，而且存在多種提煉技術(shù)?！鞍⒉_17”從月球搜集來(lái)的富鐵火山巖或被稱之為“橘紅色土壤”的物質(zhì)是一種特別重要的、有吸引力的原料，它大量存在，并已被粒化，可不經(jīng)處理直接供應(yīng)給月球氧生產(chǎn)廠。在約翰遜航天中心已經(jīng)成功地進(jìn)行了提取4％氧的實(shí)驗(yàn)，并將其轉(zhuǎn)化為小規(guī)模的提取操作，大約25噸原料可產(chǎn)出1噸月球氧。

登月之初，核反應(yīng)堆將起著關(guān)鍵的作用。即使在兩星期的月球夜中，它們?cè)诘唾|(zhì)量條件下可提供豐富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)。隨著生產(chǎn)性能的提高，月球氧計(jì)劃將擴(kuò)大它的商用范疇，包括金屬加工(比如鐵和鈦)，能量產(chǎn)生，月球著陸工具和低月軌道推進(jìn)劑補(bǔ)給艙的維持、運(yùn)轉(zhuǎn)以及最終的月球旅游業(yè)。

研制更先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)

1988年～1992年間，美國(guó)航空航天局對(duì)各種月球運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)想方案進(jìn)行了考察。其中大部分采用液氫或液氧化學(xué)推進(jìn)，或是一次性使用的或者是部分可重復(fù)使用的。當(dāng)月球著陸運(yùn)載器在低月軌道上使用時(shí)，可重復(fù)使用運(yùn)載器設(shè)計(jì)采用一個(gè)大型空氣剎車使月球運(yùn)輸火箭重返近地軌道。與此同時(shí)，美國(guó)劉易斯研究中心考核了熱核火箭的推力，因?yàn)闊岷嘶鸺懈弑葲_和高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)月球熱核火箭的分析表明，它有許多有吸引力的好處：第一，利用它可實(shí)施一個(gè)完整的推進(jìn)任務(wù)；第二，任務(wù)結(jié)束時(shí)熱核火箭推動(dòng)的月球運(yùn)輸運(yùn)載器和它的月球著陸飛行器可完全回收；第三，比部分可重復(fù)使用的空氣制動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)有更小的近地軌道初始質(zhì)量。

不過，從一開始，可重復(fù)使用性就存在幾個(gè)缺陷，其一是必須投資支持近地軌道永久性設(shè)施——特別是液氫推進(jìn)劑補(bǔ)給站或一次性使用推進(jìn)劑的貯箱，以便下次為熱核火箭重裝燃料。專門使用低密度液氫還將增加月球運(yùn)輸飛行器的尺寸，而且需要將直徑10米的有效載荷防護(hù)罩加到運(yùn)載火箭部件上。為了開發(fā)熱核火箭的性能，減小運(yùn)載器尺寸以及利用月球上的氧，科學(xué)家提出了一個(gè)革新的推進(jìn)方案，那就是把傳統(tǒng)液氫冷卻的熱核火箭和超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，被稱為液氧增強(qiáng)型熱核火箭，這種技術(shù)為具有多種發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載器和任務(wù)效益的“革命性”的月球運(yùn)輸系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

由劉易斯研究中心和航空噴氣實(shí)驗(yàn)室在1994年提出的液氧增強(qiáng)型熱核火箭，采用“三重模式”的發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以作為一臺(tái)傳統(tǒng)的液氫冷卻熱核火箭、一臺(tái)雙推進(jìn)劑(液氧／液氫)發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)能源反應(yīng)堆。它的主要組成部分包括一座核裂變反應(yīng)堆和使推進(jìn)劑受熱膨脹的噴管、氫氧供給系統(tǒng)積儲(chǔ)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，噴管相當(dāng)于一個(gè)“后燃燒室”。在那里，氧與在液氧增強(qiáng)型熱核火箭的音速噴管喉部出現(xiàn)的反應(yīng)堆加熱的氫自發(fā)地燃燒，從而增加超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)反向推進(jìn)必需的噴出質(zhì)量和能量。

液氧增強(qiáng)型熱核火箭有潛力成為非常通用的推進(jìn)系統(tǒng)。通過改變氫氧混合比(MR)，當(dāng)核反應(yīng)堆產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的能量輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將能在一個(gè)更寬的推力和比沖值范圍里運(yùn)轉(zhuǎn)。推力增強(qiáng)特性意味著“大發(fā)動(dòng)機(jī)”的性能可以由較小的、更便宜、更易于測(cè)試的熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)得到?？s短燃燒時(shí)間也可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命而且提高“壽命周期成本”。最后，更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而用來(lái)自月球的氧為未來(lái)的液氧增強(qiáng)型熱核火箭充氧，極大地減小了運(yùn)載器的尺寸和質(zhì)量而同時(shí)增加了運(yùn)輸?shù)挠行лd荷。

如何將理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

美國(guó)航空航天局已經(jīng)研究了利用月球軌道匯合點(diǎn)的改進(jìn)型任務(wù)構(gòu)想。他們?cè)噲D：第一，減少空間基礎(chǔ)設(shè)施的早期投資；第二，取消體積和重量都很大的起飛助推器；第三，盡可能增大每次月球登陸任務(wù)的月面有效載荷；第四，盡量減少月球往返系統(tǒng)的“重復(fù)使用費(fèi)用”。為了達(dá)到上述目的，期望一系列貨物的運(yùn)輸和有人駕駛的飛行，最初使用一次性的“完全液氫”熱核火箭系統(tǒng)以最大限度地運(yùn)送月面有效載荷。每次飛行增加的有效載荷專門用于運(yùn)送“模塊化”的月球氧的生產(chǎn)設(shè)備，目的是開發(fā)和應(yīng)用月球氧，以盡早為月球著陸火箭和月球運(yùn)輸運(yùn)載器充氧，然后過渡到可重復(fù)使用的液氧增強(qiáng)型熱核火箭結(jié)構(gòu)并改善“壽命循環(huán)費(fèi)用”。已出現(xiàn)的政府費(fèi)用的節(jié)余和使用月球氧的工業(yè)利潤(rùn)將逐漸被再投資發(fā)展另外的空間設(shè)施，比如低地軌道和低月軌道推進(jìn)劑補(bǔ)給站，從而支持以后的重復(fù)使用。由于一次性使用運(yùn)載器的近地軌道初始質(zhì)量和大小都有所減少，可使用兩個(gè)具有66噸抬升能力的航天飛機(jī)運(yùn)送部件到近地軌道，然后借助簡(jiǎn)單的匯合點(diǎn)和在外層空間匯合機(jī)動(dòng)性完成運(yùn)載器的組裝。

當(dāng)月球前哨的貴重器材和月球氧的生產(chǎn)水平足夠支持月球表面基地的月球著陸火箭時(shí)，就算成功地邁出了減少空間運(yùn)輸費(fèi)用的顯著的第一步。沒必要每次飛行都運(yùn)送帶有“液氧”的月球著陸火箭到近月軌道上，一次性使用的熱核火箭已有足夠的推進(jìn)劑能力在重復(fù)使用模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且能將至少9噸的有效載荷運(yùn)到近月軌道。在每次新任務(wù)之前，一次性使用的航天飛機(jī)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱將被用于為熱核火箭重加燃料。

第二步，當(dāng)月球氧可在近月軌道使用時(shí)，兩個(gè)熱核火箭將用液氧推進(jìn)劑補(bǔ)給系統(tǒng)和用于雙推進(jìn)運(yùn)作的后燃燒室噴管裝填液氧。向以“液氧增強(qiáng)型熱核火箭”為基礎(chǔ)的月球結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變將從較小的、可重復(fù)使用的月球運(yùn)輸飛行器開始，每次飛行中能運(yùn)輸至少36噸貨物和地球供給的液氫到近月軌道(增加了400％的有效載荷)。以月面為基礎(chǔ)的月球著陸火箭將運(yùn)送月球氧到近月軌道補(bǔ)給站，之后裝上液氫和非推進(jìn)劑貨物返回月球。

在去月球的路上，采用液氧增強(qiáng)型熱核火箭的月球運(yùn)輸運(yùn)載器加倍了液氫儲(chǔ)箱，返回地球前就可加21噸月球氧。在往返的路上，液氧增強(qiáng)型熱核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中氫氧混合比為3，這使熱核火箭推力輸出量增加約275％。推力增量還減少了總飛行燃燒時(shí)間約30分鐘——一次性使用的熱核火箭系統(tǒng)飛行時(shí)間的一半，因此增加了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命而且減少了月球運(yùn)輸系統(tǒng)的重復(fù)使用費(fèi)用。

成冠倫圖