核動(dòng)力火箭概念的由來(lái)

文/ 松堂

2020年2月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在2021財(cái)年的預(yù)算中提出了一個(gè)被稱(chēng)為敏捷月球操作演示驗(yàn)證（DRACO）的計(jì)劃，此前這個(gè)項(xiàng)目叫做“火箭核反應(yīng)堆（ROAR）”，這標(biāo)志著美國(guó)準(zhǔn)備重啟核動(dòng)力火箭的研究計(jì)劃。

回顧往昔，我們可以發(fā)現(xiàn)，核火箭與軍事活動(dòng)是密不可分的。

早在1953年，比利時(shí)畫(huà)家埃爾熱就在著名的系列漫畫(huà)《丁丁歷險(xiǎn)記之奔向月球》中，設(shè)想了一種巨大的核火箭。它長(zhǎng)得有點(diǎn)像德國(guó)的V-2導(dǎo)彈，不過(guò)體積要大得多。這枚火箭的設(shè)計(jì)者，就是丁丁的好朋友、科學(xué)怪才卡爾庫(kù)魯斯教授。登月火箭的原理也很硬核：讓原子彈在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)里不斷爆炸，用產(chǎn)生的沖擊波來(lái)推動(dòng)火箭飛行！

這樣的想法到現(xiàn)在都還不可能實(shí)現(xiàn)，不過(guò)埃爾熱的這部作品為人們打開(kāi)了兩個(gè)思路：去月球上探險(xiǎn)、用核能推動(dòng)火箭。接下來(lái)，就輪到科學(xué)家們實(shí)操了。

冷戰(zhàn)開(kāi)始后不久，美國(guó)和蘇聯(lián)就展開(kāi)了太空競(jìng)賽。蘇聯(lián)先后在第一顆人造衛(wèi)星、第一艘載人飛船方面取得領(lǐng)先。美國(guó)大受刺激，1961年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)約翰·肯尼迪在國(guó)會(huì)發(fā)表講話，宣布在60年代末結(jié)束之前要“將一個(gè)人送上月球并安全返回地球”的國(guó)家目標(biāo)。在他的決策之下，從1961年到1975年，美國(guó)宇航局利用阿波羅飛船和土星五號(hào)火箭探索月球，建立天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃，并在1975年實(shí)現(xiàn)了美蘇飛船對(duì)接。

為了發(fā)射登月飛船，美國(guó)宇航局主持研制了巨大的土星五號(hào)火箭，讓其成為了迄今為止唯一一種成功把人類(lèi)送上月球的火箭。美國(guó)宇航局先后成功發(fā)射了13枚土星五號(hào)火箭，沒(méi)有人員和有效載荷損失，是工程史上的奇跡。

雖然美蘇競(jìng)爭(zhēng)成就了美國(guó)宇航局和阿波羅計(jì)劃，但美國(guó)宇航局畢竟是由科學(xué)家組成的，他們的目標(biāo)還是深空里的科學(xué)探索。就在月球著陸計(jì)劃進(jìn)行之際，美國(guó)宇航局將目光投向了火星和更遠(yuǎn)的地方。但在這樣的任務(wù)背景下，化學(xué)燃料火箭的弱點(diǎn)顯露無(wú)疑。化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量相對(duì)較小，使得科學(xué)家們必須精確選擇行星的相互位置，瞄準(zhǔn)“發(fā)射窗口”，用行星的引力來(lái)提供重力彈弓效應(yīng)，幫助飛船在太空中更省力地飛行。此外，化學(xué)火箭的速度相對(duì)比較慢，如果前往火星，就要消耗太長(zhǎng)的時(shí)間，讓航天員們?cè)谟钪嬷性馐芨L(zhǎng)時(shí)間的有害輻射。在火星任務(wù)的背景下，土星五號(hào)的尺寸和運(yùn)載能力還是不夠的。

▲ 《丁丁歷險(xiǎn)記之奔向月球》封面

如果能夠采用核動(dòng)力來(lái)推動(dòng)火箭飛行，就可以克服化學(xué)燃料火箭的這些缺點(diǎn)。核火箭比化學(xué)火箭更省燃料、更輕，飛行速度可以達(dá)到化學(xué)火箭的兩倍。根據(jù)科學(xué)家們當(dāng)時(shí)的計(jì)算，核火箭可以在4個(gè)月內(nèi)到達(dá)火星，在3年內(nèi)到達(dá)土星而用化學(xué)火箭抵達(dá)土星則需要7年。

▲ 土星五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空

▲ 俄羅斯 ToryII-A核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 美國(guó)B-29轟炸機(jī)

那么，美國(guó)宇航局就是第一個(gè)嘗試核火箭的單位了嗎？并不是。

原子時(shí)代的火箭

第一個(gè)嘗試核火箭的其實(shí)是美國(guó)空軍。它對(duì)核火箭的興趣，最早并不是來(lái)源于探月，而是來(lái)自于核武器本身。

1945年，美國(guó)在日本上空引爆兩枚原子武器，從而迎來(lái)了原子時(shí)代，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。在大約四年的時(shí)間里，只有美國(guó)擁有核武器。到了1949年，蘇聯(lián)成功地試驗(yàn)了自己的核彈，揭開(kāi)了兩強(qiáng)核競(jìng)賽的序幕。

早期原子武器的主要問(wèn)題之一是怎么把它運(yùn)到敵國(guó)上空再扔下去。早期的原子武器重約5噸，當(dāng)時(shí)最大的轟炸機(jī)也沒(méi)有能力帶著它們飛越大洋。事實(shí)上，美國(guó)用于轟炸廣島和長(zhǎng)崎的B-29轟炸機(jī)是從提尼安島起飛的，抵達(dá)廣島和長(zhǎng)崎都只需要飛行2500多公里。這個(gè)距離聽(tīng)起來(lái)挺遠(yuǎn)，但是要從美國(guó)本土轟炸蘇聯(lián)，所需要飛過(guò)的航程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么一點(diǎn)。

▲ 肯尼迪參觀核火箭開(kāi)發(fā)中心

▲ 蘇聯(lián)也曾經(jīng)研制過(guò)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并且制造了樣機(jī)

▲ 土星五號(hào)火箭第二級(jí)和第三級(jí)使用了高比沖的J-2液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行獼猴桃-A反應(yīng)堆試驗(yàn)

為了解決洲際戰(zhàn)略轟炸的核武器運(yùn)載問(wèn)題，美國(guó)開(kāi)始發(fā)展重型、遠(yuǎn)程武器運(yùn)載系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括戰(zhàn)略轟炸機(jī)，如Convair B-36“和平制造者”，陸基火箭和核動(dòng)力飛機(jī)。這些系統(tǒng)各具特色，當(dāng)時(shí)的美國(guó)正處于黃金時(shí)代，國(guó)力強(qiáng)盛、資金充裕，因此上層打算同步發(fā)展所有技術(shù)選擇。洲際導(dǎo)彈的反應(yīng)速度快、打擊過(guò)程短（大約30分鐘）、打擊精度高，是首要選擇。但使用洲際導(dǎo)彈缺乏彈性，發(fā)射就是開(kāi)戰(zhàn)。轟炸機(jī)則比較靈活，讓轟炸機(jī)帶著核武器起飛，就起到了重大的威懾作用。如果雙方?jīng)Q定緩和局面，還可以把轟炸機(jī)召喚回來(lái)，所以飛機(jī)也有自己的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)飛機(jī)只能在空中飛行有限的時(shí)間，如果雙方僵持不下，飛機(jī)就只能返航加油。因此到了60年代，美國(guó)科學(xué)家提出了核沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，希望能制造超級(jí)強(qiáng)大的導(dǎo)彈，把好幾噸重的核彈頭投射到蘇聯(lián)國(guó)土上。

“漫游者計(jì)劃”項(xiàng)目

早在1942年，美國(guó)原子能科學(xué)創(chuàng)始人恩里科·費(fèi)米和他的同事進(jìn)行了第一次成功的裂變反應(yīng)堆試驗(yàn)后不久，就有人提出了核動(dòng)力火箭的想法。1944年，芝加哥大學(xué)冶金實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯的科學(xué)家開(kāi)始討論使用裂變反應(yīng)堆將氣體加熱到高溫并推動(dòng)火箭的可能性，這是“核熱”火箭背后的基本理念。這些科學(xué)家發(fā)表了幾篇報(bào)告，探討了這種火箭的潛力。

這些報(bào)告引起了美國(guó)空軍的注意。1947年－1949年，空軍資助了田納西州橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室，對(duì)核動(dòng)力火箭開(kāi)展了秘密、小規(guī)模研究。直到1954年，橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）的羅伯特·布薩德發(fā)表了一份關(guān)于幾種核動(dòng)力火箭應(yīng)用的詳細(xì)工程研究報(bào)告，人們對(duì)核火箭的興趣才逐漸濃厚起來(lái)。美國(guó)空軍委托洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、利弗莫爾·勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)為勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）等機(jī)構(gòu)對(duì)核動(dòng)力火箭性能進(jìn)行了更多的理論研究。

▲ 由核動(dòng)力火箭驅(qū)動(dòng)的飛船想像圖

▲ 1967年5月，研究人員對(duì)獼猴桃B-1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)備將它安裝到B-3試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試

1955年初，洛斯阿拉莫斯在一份現(xiàn)已解密的報(bào)告中總結(jié)了它對(duì)洲際彈道導(dǎo)彈采用核動(dòng)力的研究。報(bào)告提出了核動(dòng)力火箭的性能優(yōu)勢(shì)，為該領(lǐng)域的材料研究爭(zhēng)取到了支持。這份報(bào)告和勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室提供的類(lèi)似信息表明，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)已經(jīng)開(kāi)展了正式的核動(dòng)力火箭反應(yīng)堆工作。

從1955年到1972年，洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（后來(lái)升格為國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)展了“漫游者計(jì)劃”，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)用于宇宙空間飛行的核動(dòng)力火箭技術(shù)。這個(gè)計(jì)劃的總體探測(cè)器項(xiàng)目是美國(guó)宇航局太空探索計(jì)劃的一部分。核反應(yīng)堆則歸美國(guó)原子能委員會(huì)（AEC）管轄。

1956年，勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)而開(kāi)展核沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)在“漫游者計(jì)劃”下開(kāi)發(fā)火箭。

然而，核武器技術(shù)也在不斷發(fā)展。隨著原子武器變得越來(lái)越小和輕，化學(xué)燃料火箭已經(jīng)完全能夠承擔(dān)其投擲核武器的任務(wù)。1957年，美國(guó)空軍表示，核火箭不再具有任何軍事價(jià)值，并建議將其轉(zhuǎn)向空間應(yīng)用。