太空遠(yuǎn)征軍：核動力飛船

□ 謝懿/編譯

以核動力為能源使得卡西尼土星探測器免于攜帶面積達(dá)500平方米的太陽能電池板

為了超越無窮大，我們興許不得不求助于無窮小。來自原子核的驅(qū)動力正在推動太空探索的下一波浪潮。

在距地球表面1300千米高的軌道上，有一個(gè)已被關(guān)閉的核反應(yīng)堆。它于1965年被發(fā)射入軌，用來研究以核能作為航天器能源的可行性。自核能被發(fā)現(xiàn)之日起，它就在一直被視為最具雄心的航天器的核心,它們飛到了比任何其他人造物體都更為遙遠(yuǎn)的地方,它們從來沒有因?yàn)闊o法工作而被棄之不用,事實(shí)上，它們的問題也許就在于它們實(shí)在是太好了。

絕大多數(shù)飛船都由電池來提供電力，而電池則由太陽能電池板來為其充電。無論是太陽能電池板還是電池都易于制造且十分可靠，但也有一個(gè)重要的缺點(diǎn)：隨著到太陽距離的增加，它們的產(chǎn)能效率會顯著降低。

在土星軌道上，太陽能電池板的效率只有正常情況下的百分之一。如果2004年飛抵土星的卡西尼探測器也使用太陽能電池板的話，其面積將達(dá)到500平方米，相當(dāng)于大約2個(gè)網(wǎng)球場那么大！為了避免由此帶來的復(fù)雜性和額外的重量，類似于“卡西尼”這樣的深空探測器都會轉(zhuǎn)而使用核動力。

太空中的核能

放射性同位素是化學(xué)元素不穩(wěn)定的形式。當(dāng)它們衰變成更加穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，會釋放出一種或多種輻射以及一定的熱量。對于能源來說，熱量是有用的部分，而輻射則是需要額外處理的副產(chǎn)品。不同的同位素衰變速度各有不同，產(chǎn)生的熱量和輻射也不盡相同，因此選擇合適的同位素至關(guān)重要。

例如，钚-239的半衰期為24100年，太過漫長而無法使用。此外，若密度過高，它還會引發(fā)核爆炸。然而，和钚-239僅相差了一個(gè)中子的钚-238卻是用于驅(qū)動太空飛船的最佳同位素。它不能被用于制造武器，不會發(fā)出最有害的γ射線，半衰期也只有88年。

這么長的半衰期足以為一個(gè)持續(xù)10或20年的任務(wù)提供足夠的電力，同時(shí)又不需要攜帶大量的钚-238。一小塊钚-238就能釋放出許多熱量，把自己都“燒”得通紅?！翱ㄎ髂帷鄙涎b載有33千克的钚，能為其提供超過600瓦的電能。若使用太陽能板，所需的尺寸、質(zhì)量和復(fù)雜性都會急劇增加。

風(fēng)險(xiǎn)何在？

那么，為什么不是所有的太空飛船都使用核動力呢？環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)是一方面的考慮。核動力飛船有可能會在發(fā)射臺上、升空過程中或者是重回大氣層時(shí)爆炸解體。

但其實(shí)核動力能源實(shí)際上比很多人所想的要安全得多。放射性燃料會被裝入多個(gè)陶瓷盤內(nèi)。它不溶于水，也十分耐熱。每個(gè)盤會被金屬銥包裹，再使用石墨來密封。然后所有的燃料塊會被打包進(jìn)一個(gè)保護(hù)殼內(nèi)，以抵御大氣層再入時(shí)的高溫和沖擊。

用于放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器的钚-238燃料塊

在“阿波羅”13號任務(wù)中斷返回地球時(shí)，它仍然攜帶了3.8千克的钚-238。這些核燃料本該用來為月球表面的實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供動力。任務(wù)控制人員特意制定了登月艙分離的時(shí)間，讓它掉進(jìn)太平洋中的湯加海溝。核燃料容器在再入大氣層和沖撞中都沒被破壞，目前正躺在6千米深的海底。其安全殼至少能在800年的時(shí)間里抵御海水的腐蝕，到那時(shí)它基本上已失去了放射性。

即使在最壞的情況下，钚燃料在再入時(shí)被燒毀，其灰燼擴(kuò)散至全球，由此造成的危害也很小。美國航宇局估計(jì)，如果“卡西尼”對環(huán)境造成污染，有可能會引發(fā)5 000個(gè)癌癥死亡病例。這聽起來好像很多，但它對全球癌癥死亡率的貢獻(xiàn)只有0.0005%；而出現(xiàn)狀況的概率大約是一百萬分之一。

核動力飛船的一大缺點(diǎn)是，它所使用的钚-238是武器級钚-239的副產(chǎn)品。自冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國和俄羅斯已停止制造核武器，當(dāng)前钚-238的庫存也幾乎耗盡。美國航宇局現(xiàn)在只剩下16千克，這其中有三分之一要專門用于2020年發(fā)射的火星車。

重啟钚生產(chǎn)將會是一個(gè)漫長的過程——它需要進(jìn)行核裂變反應(yīng)。如果用1個(gè)中子轟擊1個(gè)鈾-235原子，它會分裂成1個(gè)氪-92原子和1個(gè)鋇-141原子。這個(gè)反應(yīng)也會釋放出另外3個(gè)中子，它們可以轟擊其他的鈾原子進(jìn)而重復(fù)這一過程。

核裂變火箭

安裝在航天器上的核反應(yīng)堆可以使用由裂變釋放出的能量來加熱一股氫氣流，然后將它從火箭噴嘴噴出，它的速度會遠(yuǎn)高于單純?nèi)紵龤渑c氧。這種設(shè)計(jì)被稱為熱核火箭，理論上其效率至少是常規(guī)化學(xué)火箭的2倍。

1966年，美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室曾制造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的發(fā)動機(jī)，作為1978年美國航宇局載人火星任務(wù)的一部分。1972年，由于預(yù)算原因，該項(xiàng)目被取消，但這個(gè)發(fā)動機(jī)的原型機(jī)被認(rèn)為取得了圓滿成功。雖然它從未飛過，但它在地面上進(jìn)行了成功的測試，以滿負(fù)荷運(yùn)行了28分鐘。不過，還有一個(gè)更為高效的核推進(jìn)方式，它直接利用核爆炸,被稱為核脈沖推進(jìn)。它會在飛船的后方引爆一系列小型的核彈。這些爆炸會推動一塊重型的鋼板，它連接著阻尼活塞，以此來把爆炸沖擊減緩成連續(xù)的加速。1958年通用原子公司對此進(jìn)行了認(rèn)真的研究，被稱為獵戶座計(jì)劃。

它打算每秒鐘爆炸1顆核彈，使用800顆核彈來把航天器送入軌道。每顆核彈都有專門的聚能裝藥設(shè)計(jì)，減少爆炸能量的浪費(fèi)。爆炸產(chǎn)生的等離子體會以67000℃的高溫沖擊鋼板，但試驗(yàn)表明鋼板真正吸收的能量其實(shí)很少。另外，還需要涂一層薄油來防止反復(fù)爆炸對鋼板所造成的侵蝕。

普通的火箭越大越難設(shè)計(jì)，但對于獵戶座計(jì)劃而言，它面臨的挑戰(zhàn)卻是如何造一艘小型的飛船。它究竟有多小，取決于你制造的核彈有多小。最小核彈的當(dāng)量也許為0.03千噸TNT炸藥，相當(dāng)于廣島原子彈的1/500，可以驅(qū)動一艘880噸的飛船——比“德爾塔”IV重型火箭還重。

出乎意料的是，擴(kuò)大飛船的質(zhì)量并不需要更多的鈾，只需要使用更多的常規(guī)炸藥來把核彈中的鈾壓縮到更高密度，讓它更有效地裂變即可。設(shè)計(jì)中最大的獵戶座飛船重達(dá)800萬噸，長400米。這就好比把一個(gè)街區(qū)發(fā)射進(jìn)入太空！

獵戶座計(jì)劃曾使用飛行測試模型來佐證其基本原理，但使用的是常規(guī)炸藥而不是核彈。然而，由于1963年簽署的《部分禁止核試驗(yàn)條約》——禁止在大氣層、外層空間和水下進(jìn)行核武器試驗(yàn)，該計(jì)劃最終被取消。

核聚變火箭

“卡西尼”土星探測器上的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器

部分是為了規(guī)避這一限制，1973年英國行星際學(xué)會開始設(shè)計(jì)一個(gè)核動力行星際探測器，它將在軌道上進(jìn)行組裝，被稱為代達(dá)羅斯計(jì)劃。該計(jì)劃將使用5萬噸氘和氦-3，由電子束來點(diǎn)燃核聚變反應(yīng)，驅(qū)動450噸的有效載荷加速至光速的12%，進(jìn)而在50年之內(nèi)抵達(dá)6光年之外的巴納德星。雖然代達(dá)羅斯計(jì)劃背后的科學(xué)原理非常堅(jiān)實(shí)，但它在工程上的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)以及現(xiàn)在可及的范圍。光是收集足夠的氦-3燃料就需要懸浮在木星大氣中的采礦機(jī)器人工作20年的時(shí)間。

脈沖核聚變也許仍是未來的手段，但電離子驅(qū)動卻已經(jīng)是成熟的技術(shù)了。美國航宇局的曙光探測器和日本的“隼鳥” 2號都已經(jīng)證明，電推進(jìn)系統(tǒng)能以低廉得多的成本獲得極高的效率。但如果離子引擎由核反應(yīng)堆而非太陽能電池板供電的話，其可用的推力會急劇增加。

俄羅斯的克爾德什研究中心正在研發(fā)一個(gè)由一兆瓦核反應(yīng)堆所驅(qū)動的核電推進(jìn)系統(tǒng)。它的功率是使用太陽能電池板的曙光探測器的750倍以上。其原型機(jī)計(jì)劃于2020年進(jìn)行飛行試驗(yàn)。它可以用作核動力太空拖船，把衛(wèi)星送入更高的軌道，或者是清除太空垃圾。

對于太空飛行而言，核時(shí)代似乎才剛剛開始。

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來自放射性的電力

放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器可以把放射性衰變釋放的熱量轉(zhuǎn)化成電能。它通常會裝有一個(gè)由钚-238構(gòu)成的核心，四周則為金屬合金所包裹，稱為熱電偶。熱電偶的一端與毗鄰的高溫钚連接，另一個(gè)端則連接一個(gè)暴露在太空中的散熱片。這一溫度差會產(chǎn)生電流。

在航天任務(wù)中，熱電發(fā)生器的效率只有6%，生成100瓦的電力需要4千克的钚。但它們沒有可移的動部件，也非常的可靠。

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倘若“菲萊”使用的是核動力

2014年11月，當(dāng)羅塞塔探測器上的菲萊著陸器降落到67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星的表面上時(shí)，它落在了一個(gè)懸崖的陰影之中，使得它的太陽能電池板無法正常工作。其所搭載的電池只能為科學(xué)運(yùn)轉(zhuǎn)提供64個(gè)小時(shí)的電力。

如果使用核動力，“菲萊”是否能采集更多的數(shù)據(jù)呢？回答也許是否定的。

舉個(gè)例子，“先驅(qū)者”和“海盜”探測器所攜帶的核電力組件一開始能產(chǎn)生30瓦的電力。經(jīng)過十多年的飛行，這個(gè)數(shù)值會降低到27.5瓦——無法滿足“菲萊”本身32瓦的電力需求。

此外，該電力組件重約16千克，對于總重100千克的“菲萊”來說實(shí)在太大了?！胺迫R”被設(shè)定為附加在“羅塞塔”之上的輕型任務(wù)。在這種情況下，采用核動力能源所帶來的額外成本和重量并不能保證它具有更長的壽命。

熱核火箭的構(gòu)想圖

代達(dá)羅斯計(jì)劃核動力行星際飛船的概念圖