奔赴火星

楊孝文

第一個踏上火星土地的宇航員乘坐的飛船所使用的火箭不會是曾將“阿波羅11”號飛船送上月球的化學(xué)燃料火箭，而是更為先進(jìn)的核動力火箭?；瘜W(xué)燃料火箭無法提供足夠的推進(jìn)力，導(dǎo)致宇航員在抵達(dá)火星前不得不忍受幾個月的危險太空輻射。為此，美國航空航天局將目光轉(zhuǎn)向長期被忽視的核熱火箭技術(shù)，用于將首批火星探險家送上這顆紅色星球。

并非新技術(shù)

核熱火箭并不是一項新技術(shù)。1942年，也就是在恩里科·費(fèi)米成功進(jìn)行核裂變反應(yīng)堆實驗之后，研究人員就開始討論利用核動力驅(qū)動火箭和飛機(jī)的前景。1944年，芝加哥大學(xué)冶金學(xué)實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究小組打造了一個早期的核熱設(shè)計，利用裂變反應(yīng)堆加熱氫氣，然后讓氫氣穿過一個小噴口，產(chǎn)生推進(jìn)力。核燃料的能量密度大約是化學(xué)燃料的10⁷倍，采用這種燃料的火箭重量只有化學(xué)燃料火箭的1/2壽右。核熱火箭能夠讓負(fù)荷和燃料的比率從1：1提升到7：1，尤其是在作為上級火箭的時候。這一設(shè)計吸引了美國空軍的目光。1947年和1949年，空軍方面在橡樹嶺國家實驗室進(jìn)行了一系列秘密測試。

核熱技術(shù)的研發(fā)一度沉寂了幾年時間。1955年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開始研發(fā)核動力洲際彈道導(dǎo)彈，1956年又開始研制核動力沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)。1957年，美國空軍認(rèn)為核熱技術(shù)并不適合軍隊，建議進(jìn)行非核方面的研發(fā)?？哲姷难邪l(fā)計劃被稱為“漫游者”計劃，后來移交給新成立的美國航空航天局。

“漫游者”計劃1955年啟動，1972年終結(jié)。1961年，這項計劃進(jìn)展快速并取得巨大成功，促使馬歇爾太空飛行中心申請在1964年之前進(jìn)行反應(yīng)堆飛行測試。這是一項具有里程碑意義的進(jìn)展，讓研究人員看到了建造和發(fā)射最終樣機(jī)的希望。為了響應(yīng)馬歇爾太空飛行中心的請求，美國政府在1961年成立了航天核推進(jìn)局，負(fù)責(zé)對研發(fā)工作進(jìn)行監(jiān)督和規(guī)劃，同時與美國航空航天局和原子能委員會展開合作。美國航空航天局關(guān)注的是飛行系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)設(shè)計，原子能委員會致力于研發(fā)反應(yīng)堆技術(shù)。航天核推進(jìn)局的第一任局長H.B.哈里·芬格做出推遲發(fā)射的決定，要求對發(fā)動機(jī)做飛行測試前必須進(jìn)行一系列嚴(yán)格的性能測試。

打造多種設(shè)計

美國航空航天局啟動了核火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用計劃，旨在研制一種可用于太空探索的核熱星際飛船發(fā)動機(jī)。在17年時間里，這項計劃研發(fā)了超過20種截然不同的火箭設(shè)計，其中包括1955年-1964年的早期設(shè)計——“幾維”，1964年-1969年的“太陽神”以及1970年-1971年測試的“山鷸”。“幾維”并非為了飛行測試設(shè)計，“太陽神”的體積更大，處在設(shè)計的中間階段，所有這些設(shè)計最后都被“核熔爐”設(shè)計取代。“幾維”的另一個派生設(shè)計“核火箭實驗”系列1964年開始測試，1968年結(jié)束。

每個設(shè)計都有兩個核反應(yīng)堆，在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的帕哈利托基地建造，其中一個反應(yīng)堆用于進(jìn)行零功率臨界實驗。實驗中，反應(yīng)堆在極低溫度環(huán)境下進(jìn)行持續(xù)裂變，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以忽略不計。另一個用于全功率測試，在偏遠(yuǎn)的內(nèi)華達(dá)州試驗場進(jìn)行。之所以選在這個試驗場是因為一旦測試的發(fā)動機(jī)發(fā)生爆炸，核物質(zhì)將被噴射到周邊地區(qū)，造成污染。洛斯阿拉莫斯國家實驗室名為“西格馬”的設(shè)施負(fù)責(zé)生產(chǎn)钚-238。钚-238是钚-239的“非裂變兄弟”，轟炸日本的原子彈使用的就是钚-239。

第一代“幾維”的第一次測試在1959年中期進(jìn)行?！皫拙S”由一系列無涂層氧化鈾盤構(gòu)成，浸泡在液體氫中。這是一種非常簡單的核發(fā)動機(jī)，但卻能夠產(chǎn)生70兆瓦電量和2683K的溫度。第二代“幾維B”用氧化鈾小球代替鈾盤，懸浮在一個石墨柵陣中，上面有碳化鈮涂層，液態(tài)氫穿過這些小球產(chǎn)生排氣。早期的“幾維”設(shè)計存在一些缺陷，在整個項目結(jié)束時也沒有得到徹底解決。其中一個缺陷是發(fā)動機(jī)強(qiáng)烈震動并發(fā)出咔嗒聲，足以導(dǎo)致燃料束破裂，變成廢物。此外，由于溫度過高，超熱液態(tài)氫腐蝕反應(yīng)堆內(nèi)壁。

測試中出現(xiàn)安全殼破損將釀成災(zāi)難，是一個必須考慮的危險因素。這種破損可由軌道器撞擊地面、裂變失控或者設(shè)計缺陷導(dǎo)致，能形成可怕的“輻射雨”，對地表大面積區(qū)域造成核污染。1965年，研究人員在內(nèi)華達(dá)州試驗場杰卡斯平地中部地區(qū)炸毀了“幾維”反應(yīng)堆。爆炸產(chǎn)生的輻射塵殺死了方圓約200米內(nèi)的一切生物，遭受污染的區(qū)域達(dá)到約600米。輻射塵的數(shù)量取決于核發(fā)動機(jī)采用的燃料類型，固態(tài)燃料棒和碳柵陣中的小球所產(chǎn)生的輻射波及范圍遠(yuǎn)低于氣態(tài)或者液態(tài)燃料。

NRX系列取得成功

在研制“幾維”5年后，美國航空航天局開始將目光投向體積更大的發(fā)動機(jī)——“太陽神”系列。這種火箭的最初測試在1959年進(jìn)行，持續(xù)了10分鐘，產(chǎn)生了1064兆瓦電量和2370K的溫度。1967年進(jìn)行的測試持續(xù)了30分鐘，產(chǎn)生了1500兆瓦電量?！疤柹?2A”曾在短短12分鐘內(nèi)產(chǎn)生4000兆瓦電量，成為當(dāng)時世界上制造的功率最大的核反應(yīng)堆。4000兆瓦電量相當(dāng)于切爾諾貝利核電站的總發(fā)電量，可滿足300萬家庭的用電需求。

500兆瓦的“山鷸”是在最初的“幾維”設(shè)計基礎(chǔ)上研制的，用于測試新的碳化鋯涂層，取代最初的碳化鈮?！吧晋?”的堆芯設(shè)計將燃料導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險降到1/3。在研制“山鷸”的同時，美國航空航天局還在測試一種截然不同的火箭設(shè)計，利用水進(jìn)行冷卻，被稱為“核熔爐-1”。

“幾維”的另一個派生設(shè)計“核火箭實驗”系列于1964年開始測試，后進(jìn)化成NERVA NRX/XE，并且一度接近于做好試飛準(zhǔn)備。1968年，航天核推進(jìn)局對XE進(jìn)行了28次測試，測試在低壓艙內(nèi)完成，用以模擬太空真空環(huán)境。每次測試中，XE都能產(chǎn)生超過1100兆瓦的電量以及約3.4萬千克的推進(jìn)力。這是航天核推進(jìn)局要求馬歇爾太空飛行中心必須滿足的功率基線，否則不準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)堆飛行測試，更不用說使用這種發(fā)動機(jī)將宇航員送上火星。測試過程中，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間超過2小時，其中有28分鐘的滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，只有在燃燒完所有17千克燃料之后，測試人員才讓發(fā)動機(jī)停下來。

XE的成功以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室在材料方面取得的進(jìn)步讓科學(xué)家看到了核動力火箭的巨大發(fā)展?jié)摿?。一些科學(xué)家希望用這種火箭取代土星I及土星IV的第二級和第四級的J-2助推器，其他人則希望將其作為“太空拖拉機(jī)”，用于將航天器從地球低軌道拖人更高的軌道，例如月球軌道或者更遠(yuǎn)的軌道。不幸的是，所有這些想法最后都只停留在圖板上，因為整個計劃在1972年被取消。

滿足深空探索需要

迄今，美國已經(jīng)成功將人類送上月球。阿波羅時代后，美國又進(jìn)入航天飛機(jī)時代。核技術(shù)遭到很多公眾的反對，利用核熱火箭實施載人火星任務(wù)在預(yù)算上將是一個驚人數(shù)字，所有這些都讓美國國會不得不謹(jǐn)慎對待。如果放棄載人火星任務(wù)，美國政府就沒有任何有說服力的理由研制核熱火箭。因此，盡管滿足了除重啟60次和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10小時以外的所有測試指標(biāo)，漫游者/核火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用計劃最后還是被取消。

漫游者，核火箭發(fā)動機(jī)應(yīng)用計劃的所有火箭都使用钚-238，這是一種非裂變同位素，半衰期為88年。由于半衰期較短，從天然形成的钚中分離出這種特定的同位素難度較大。通常情況下，利用伯克萊實驗室的格倫·西博格和埃德溫·麥克米倫于1940年研發(fā)的方式合成钚-238，即利用氘核轟擊鈾-238。對于深空探索來說，钚-238無疑是一個昂貴的日用品。進(jìn)入深空后，太陽能電池板便失去了原有的作用。美國航空航天局的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器也采用钚-238，為絕大多數(shù)深空探索任務(wù)提供能量。钚的導(dǎo)電性很差，衰變產(chǎn)生大量熱量，驅(qū)動放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器時會產(chǎn)生阿爾法粒子輻射。著名的“旅行者”號飛船、“卡西尼”號飛船、“好奇”號火星車以及“新地平線”號探測器都依賴于核能執(zhí)行探索任務(wù)。

三種堆芯

固態(tài)堆芯。最簡單的堆芯設(shè)計利用固態(tài)燃料（例如“幾維”和“太陽神”采用的盤和小球）加熱液態(tài)氫氣，產(chǎn)生熱量和推進(jìn)力。由于受到反應(yīng)堆安全殼熔點(diǎn)的限制，這種設(shè)計產(chǎn)生的溫度在22K～300K之間。在使用液態(tài)氫推進(jìn)燃料的情況下，固態(tài)堆芯在850秒～1000秒內(nèi)產(chǎn)生的推動力是航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)的2倍。

液態(tài)堆芯。如果不將核燃料放入石墨柵陣，而是把燃料球直接與液態(tài)氫混合在一起，最后制造出的液態(tài)堆芯發(fā)動機(jī)可以產(chǎn)生超過核燃料熔點(diǎn)的溫度——至少理論上如此。沒有人制造出液態(tài)堆芯發(fā)動機(jī)。將放射性燃料注入發(fā)動機(jī)的同時，允許工作流體存在是一項巨大挑戰(zhàn)，不過，與球形燃料反應(yīng)堆類似的旋轉(zhuǎn)式設(shè)計可以利用向心力將二者分離，這讓研究人員看到了希望。

氣態(tài)堆芯。研制氣態(tài)堆芯反應(yīng)堆的難度甚至超過液態(tài)堆芯，需要讓氫氣蒸汽環(huán)繞一個旋轉(zhuǎn)的“鈾氣囊”。由于燃料不與吸熱堆芯室壁接觸，溫度可以達(dá)到數(shù)萬K，在3000秒～5000秒內(nèi)產(chǎn)生30千牛-50千牛的推進(jìn)力。

面臨燃料短缺

在擱置了幾十年后，美國航空航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局（在冷戰(zhàn)期間研制了很多核熱火箭，但從未對自己的設(shè)計進(jìn)行實際測試）于2012年4月宣布，他們將重新研發(fā)核發(fā)動機(jī)火箭技術(shù)，同時展開一項投資6億美元的聯(lián)合發(fā)動機(jī)研制計劃，法國、英國、德國、中國和日本也可能參與其中。

馬歇爾太空飛行中心正在研制自己的核低溫推進(jìn)級，作為未來太空發(fā)射系統(tǒng)的一部分。這個上級將由液態(tài)氫燃料進(jìn)行超冷卻，在安全離開大氣層后啟動裂變反應(yīng)。不過，由于自美國航空航天局最后一次測試核熱火箭技術(shù)之后地面核試驗被全面禁止，研究人員不得不借助馬歇爾太空飛行中心的核熱火箭元素環(huán)境模擬器進(jìn)行研究。這個模擬器可以精確模擬核熱火箭發(fā)動機(jī)各組件之間的交互作用，允許火箭學(xué)家在不產(chǎn)生輻射塵的情況下對設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。美國航空航天局研究員、核熱火箭元素環(huán)境模擬器管理人員比爾·伊默里奇表示：“我們利用這個測試設(shè)施獲取的信息能夠防止工程師的設(shè)計存在缺陷，提高燃料元件和核推進(jìn)系統(tǒng)的效率。我們希望能夠在不久的將來研制出一個可靠的，并且具有成本效益的核火箭發(fā)動機(jī)?！?/p>

在研發(fā)這一革命性的發(fā)動機(jī)技術(shù)過程中，美國航空航天局面臨著燃料短缺問題。自20世紀(jì)80年代以來，美國便從未生產(chǎn)過钚-238。據(jù)估計，美國現(xiàn)存的钚-238將在這個10年結(jié)束前耗光。美國航空航天局宣布美國能源部將在2017年再次生產(chǎn)钚-238。能源部太空與防御動力系統(tǒng)負(fù)責(zé)人瓦德·卡羅爾在2012年3月舉行的核與新興空間技術(shù)會議上表示：“我們將重新開始生產(chǎn)钚。在獲得新钚前，我們可能需要等待5年或者6年時間?！蹦茉床坑媱澝磕晟a(chǎn)1400克-1800克钚，足以滿足機(jī)器人行星探索任務(wù)的需要。我們現(xiàn)在需要的就是研制行星際飛船。