小型核火箭

在探索太陽(yáng)系其他行星的時(shí)候，人類(lèi)想要做的不僅僅是駕駛小型空間探測(cè)器在宇宙空間快速飛行。有時(shí)候我們打算向那些大型氣態(tài)星球的軌道發(fā)射宇宙飛船，在其衛(wèi)星上面降落，安置機(jī)器人，甚至希望能夠?qū)⑿乔虮砻娴膸r石以及土壤里的貴重元素運(yùn)回地球。

最終，向條件允許的星球(至少擁有維持生命所必需的水源)運(yùn)送宇航員。諸如此類(lèi)的任務(wù)，我們所需要的就不僅僅是依靠化學(xué)燃料燃燒產(chǎn)生推動(dòng)力的火箭，而是那些依靠核裂變產(chǎn)生能量的火箭。當(dāng)然以化學(xué)燃料燃燒為動(dòng)力的火箭用起來(lái)也不錯(cuò)，但它們?cè)诮o定燃料基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的能量相當(dāng)有限，并給飛船帶來(lái)很大不便。例如，要想到達(dá)行星，一架以化學(xué)燃料為能源的運(yùn)載器重量不能太大，并且必須借助行星引力的幫助，這種引力場(chǎng)像磁鐵一樣吸引飛船慢慢靠近目標(biāo)星球，并不斷提高飛船的速度。為了充分利用這些引力助手，任務(wù)策劃者必須等待“視窗”(一小段時(shí)間)的出現(xiàn)，在此期間，飛船朝向特定星球發(fā)射，而該星球又可以給飛船提供相當(dāng)?shù)募铀俣?，使它能夠飛向更遠(yuǎn)的星球。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，用化學(xué)燃料作動(dòng)力的火箭的最大加速度很低，這就使得飛船不能達(dá)到一個(gè)更高的速度。

化學(xué)燃料火箭中最好的是氫氧火箭，可以為脫離地球軌道的飛船提供約10千米／秒的加速度。相對(duì)而言，核火箭所能提供的最大加速度為22千米／秒。如此高的加速度使飛船到達(dá)土星的時(shí)間從7年縮短到僅僅3年。這種核火箭更安全而且相對(duì)來(lái)說(shuō)更環(huán)保。與傳統(tǒng)觀念不同的是，核火箭發(fā)射的時(shí)候放射污染反而更小。由核能推動(dòng)的飛船將被作為有效負(fù)載物放在傳統(tǒng)化學(xué)燃料火箭的上面發(fā)射。當(dāng)負(fù)載物進(jìn)入高達(dá)800千米的地球軌道時(shí)，核反應(yīng)堆開(kāi)始啟動(dòng)。就目前的科研能力而言，制造由核裂變產(chǎn)生的動(dòng)力推動(dòng)的火箭并非難事。事實(shí)上，我跟我的同事們，已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)了一臺(tái)小型核火箭，我稱(chēng)之為Metee。該發(fā)動(dòng)機(jī)制造用時(shí)為六七年，耗資6億美元～8億美元，就目前的空間研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)開(kāi)支已經(jīng)非常小。事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中花費(fèi)的資金可以由日后飛船發(fā)射所節(jié)省的開(kāi)支來(lái)沖抵。原因是該發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需攜帶大量化學(xué)燃料，也就是說(shuō)發(fā)射過(guò)程中不需要價(jià)值2.5億美元～3.25億美元的昂貴發(fā)射火箭。相反，取而代之用更為廉價(jià)的火箭，諸如價(jià)格在0.5億美元～1.25億美元的“臺(tái)達(dá)”或者“阿特拉斯”火箭。

在我們的設(shè)計(jì)當(dāng)中，反應(yīng)堆的核燃料將會(huì)以帶孔金屬板的形式出現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)像一個(gè)中空的果凍卷，一層硫酸鋰氫化物覆蓋在燃料圈的外層，用作緩沖劑來(lái)降低核裂變產(chǎn)生的中子的速度。冷凍劑——液態(tài)氫將由外而內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并隨著溫度的升高很快轉(zhuǎn)化為氣體流向中心。高達(dá)2700℃的氣體將沿金屬圈軸心處的通道做高速運(yùn)動(dòng)，最后由末端的噴嘴流出。

核推動(dòng)力最吸引人之處在于它的燃料(氫)很容易獲得，而且接近取之不盡、用之不竭：氫大量存在于太陽(yáng)系外層行星周?chē)?，而且廣泛存在于遙遠(yuǎn)行星上的冰里面。因?yàn)楹四艹掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如果適時(shí)補(bǔ)充燃料的話(huà)，以此為燃料的飛船可以在太空中飛行10年～15年。飛船可以在木星、土星、天王星以及海王星大氣層中飛行數(shù)月，搜集這些行星的表面狀況、大氣類(lèi)型以及其他特征的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此外，這種飛船還可以到達(dá)諸如木衛(wèi)二等更為遙遠(yuǎn)的星球上，并通過(guò)電解融化冰中的水來(lái)獲得氫以返回地球，因?yàn)榉磻?yīng)可以在遠(yuǎn)離地球的地方順利發(fā)生。以核能推動(dòng)的飛船較之傳統(tǒng)的飛船更安全，在太陽(yáng)系外層更遠(yuǎn)的一些地方，因?yàn)楣饩€(xiàn)太弱而無(wú)法為飛船的各項(xiàng)設(shè)備提供足夠的能量，因此，設(shè)備會(huì)啟動(dòng)放射性元素钚238能量源。此外，這種火箭產(chǎn)生的放射性垃圾的數(shù)量也是微乎其微，僅為1克的核裂變廢棄物，而且廢棄物無(wú)論如何也不會(huì)返回地球。

核火箭并非新鮮事物，20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)防部在該領(lǐng)域的一項(xiàng)計(jì)劃中，空間原子能終端推動(dòng)計(jì)劃赫然在列。它的目標(biāo)在于研發(fā)一種輕質(zhì)、小型核發(fā)動(dòng)機(jī)以協(xié)助發(fā)射任務(wù)，例如向遠(yuǎn)地軌道發(fā)射重型飛行器。設(shè)計(jì)的核心是原子燃料反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆包含大量微小的碳化鈾粒子包，原子燃料反應(yīng)堆的研發(fā)工作在核發(fā)動(dòng)機(jī)建成之前就已結(jié)束。

我跟同事們?cè)谖挥诓剪斂撕Ｎ牡拿绹?guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾十年的研究，事實(shí)上，Mitee發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研制很大程度上歸功于我們?cè)谄渌?xiàng)目上所付出的努力。除去燃料元素相同的環(huán)狀基本結(jié)構(gòu)之外，Mitee同樣也用到輕質(zhì)的、穩(wěn)定的硫酸鋰氫化物作為緩沖劑。

顯而易見(jiàn)的一個(gè)事實(shí)是，如果僅借助于化學(xué)燃料推動(dòng)的火箭，我們探測(cè)外太空及其行星的能力畢竟是有限的。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，要想在研究太陽(yáng)系邊緣那片廣袤的未知世界方面取得突飛猛進(jìn)的成就，只有核火箭才能給予我們所需要的動(dòng)力。