大有前途的核動力火箭

■ 高峰

近日，美歐宣布在ExoMars火星生命探測計劃上展開合作。

ExoMars探測器是歐洲航天局于2005年決定研發(fā)的火星生命探測航天器，原計劃2011年進行發(fā)射。但后來，這項計劃在實施過程中遇到許多難題，致使發(fā)射時間一再推遲。其中一直困擾著歐洲航天局的難題就是發(fā)射和動力裝置問題，于是便想到了與NASA實現(xiàn)合作。

NASA從2003年初就開始研制核動力火星探測器。探測器發(fā)射時先由多級化學運載火箭將其送入800千米以上繞地軌道運行后，核火箭才開始工作，推動探測器沖出地球引力范圍并按預定軌道在太空高速飛行，最終抵達火星進行繞飛探測或著陸考察。

雖然美歐合作研發(fā)核動力火星探測器的具體細節(jié)尚未透露，但是采用核火箭來進行推動的方案并未變動。其關(guān)鍵技術(shù)之一就是核火箭的研制問題。

核火箭發(fā)動機是利用核反應(yīng)或放射性衰變釋放的能量加熱工作介質(zhì)，使工質(zhì)通過噴管膨脹后高速排出產(chǎn)生反作用推力的。這種發(fā)動機性能高、速度快、壽命長，但技術(shù)復雜，只適用長期飛行的航天器。研制中存在的主要問題是：輻射防護、排氣污染、反應(yīng)堆的控制以及高效率換熱器的設(shè)計等。

根據(jù)核能釋放方式的不同，核火箭發(fā)動機可分為放射性同位素衰變型、核裂變型和核聚變型三種。放射性同位素衰變火箭發(fā)動機的工作原理是將放射性同位素衰變產(chǎn)生的射線轉(zhuǎn)變成熱能，再加熱工質(zhì)形成推力，適用于0.1千克以下的低推力狀態(tài)，不能用作火星探測器的動力裝置。核聚變火箭發(fā)動機的工作原理是利用輕原子核聚合成較重原子核過程中釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的，因為核聚變的控制問題尚未解決，所以，這種發(fā)動機仍處于理論階段。由此可見，美國自行研制的核動力裝置只能是核裂變火箭發(fā)動機。

按照核反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)不同，核裂變分為固體堆芯和氣體堆芯二種，其工作原理都是利用重原子核裂變釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的。雖然氣體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機性能更為優(yōu)越，但由于還存在大量的技術(shù)難題，因此目前美國研制的用于火星探測器的核動力裝置是固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機。

固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機發(fā)展較早，主要由裝在推力室承壓殼體內(nèi)的核反應(yīng)堆、冷卻噴管、工質(zhì)輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆通常用含鈾235或钚239的濃縮物制成，工作時發(fā)生核裂變產(chǎn)生熱能，加熱工質(zhì)。輸送系統(tǒng)將工質(zhì)先送入噴管冷卻套冷卻推力室，然后進入核反應(yīng)堆加熱，最后通過噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量和控制核反應(yīng)的功率，以使發(fā)動機的推力能滿足實際飛行的需要。固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動機不僅能長期工作，而且還能提供更高的速度（秒速可達24.17千米）。探測器以核火箭提供的高速飛行，抵達火星的時間則可縮短到2個月。從長遠看，核火箭還能推動載人航天器到太陽系空間遨游并送航天員在可以登臨的星球上進行著陸考察和開展科學研究。

若要實施核動力火星載人飛船方案，由于要攜帶航天員及其所需的生活用品和工作設(shè)備，航天器重量增加較多，肯定還要進一步提高核動力火箭發(fā)動機的推力。同時核動力存在的安全隱患必須引起高度重視，特別是核輻射對航天員健康造成威脅的問題亟待解決。因為核動力火箭飛船內(nèi)的輻射量相當于每天做八次X光透視，會對人的身體帶來損害。由此可見，核動力火星載人飛船比核動力火星無人探測器要復雜得多。而且，若要發(fā)展先進的、大推力高推重比的、可用于單級入軌的大型核動力火箭發(fā)動機，還需要解決更多的技術(shù)難題。假若這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，那將是航天運載工具史上的一大飛躍。