為核動(dòng)力火箭項(xiàng)目“續(xù)命”

文/ 遲惑

核火箭的問題在于核燃料的放射性及給航天員、科學(xué)儀器帶來的危害。正因?yàn)檫@些問題尚未解決，核火箭至今沒有成為現(xiàn)實(shí)。但是隨著材料和工藝的進(jìn)步，特別是幾十年來核反應(yīng)堆在潛水艇上的應(yīng)用，使人們能夠建造越來越小、越來越安全的反應(yīng)堆。

2000年，美國宇航局設(shè)立了普羅米修斯項(xiàng)目，開發(fā)用于長期太空任務(wù)的核動(dòng)力系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目是自1972年“漫游者計(jì)劃”/NERVA項(xiàng)目被取消以來，美國宇航局最認(rèn)真考慮的核動(dòng)力火箭太空任務(wù)。這個(gè)項(xiàng)目用一個(gè)裂變反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)布雷頓循環(huán)熱機(jī)，還要發(fā)電為科學(xué)儀器和離子推進(jìn)裝置提供動(dòng)力。但是在2005年，由于預(yù)算限制，美國宇航局又取消了普羅米修斯項(xiàng)目。

“核動(dòng)力火箭推進(jìn)”項(xiàng)目

美國一直在默默搞自己的核火箭計(jì)劃。美國宇航局很早就認(rèn)識(shí)到，如果要把探索目標(biāo)定在更深遠(yuǎn)的太陽系，核推進(jìn)可能是唯一可行的技術(shù)選擇。即使探測范圍僅僅超越火星軌道，太陽能電池板所能提供的電力就已經(jīng)不夠了，而采用化學(xué)推進(jìn)將需要大量的推進(jìn)劑或超長的行程時(shí)間，新視野號(hào)冥王星探測器就是個(gè)明顯的例子。

因此對美國宇航局來說，核動(dòng)力火箭推進(jìn)（NTP）和這個(gè)機(jī)構(gòu)存在的終極意義是有直接關(guān)系的，美國宇航局的愿景、任務(wù)，都是為這樣一個(gè)長期目標(biāo)服務(wù)：將人類存在擴(kuò)展到太陽系和火星。而核動(dòng)力火箭是當(dāng)前所有先進(jìn)火箭推進(jìn)系統(tǒng)中最理想的，它在宇宙中的飛行速度最快，旅行時(shí)間最短。這不但能減少航天員暴露在零重力和宇宙輻射中的時(shí)間、保護(hù)航天員的健康，還簡化了生命保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、降低了負(fù)荷，系統(tǒng)復(fù)雜度的降低也提高了總體上的可靠性。核動(dòng)力火箭推進(jìn)還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢就是它的持續(xù)工作能力強(qiáng)，如果任務(wù)臨時(shí)中止，還有足夠的能力返回地球。哪怕已經(jīng)離開地球、在太空航行了3個(gè)月，核動(dòng)力火箭還是能在沒有燃料補(bǔ)充的情況下返回地球。用核動(dòng)力火箭登陸火星之后，無需補(bǔ)充燃料，就能在任務(wù)結(jié)束后直接起飛返回地球。

▲ 美國宇航局設(shè)想的核動(dòng)力火箭與獵戶座飛船組合

▲ BWXT技術(shù)公司的核熱火箭設(shè)計(jì)理念

目前，美國宇航局米歇爾航天飛行中心的科研人員正在開展一項(xiàng)叫做“核熱推進(jìn)”的研究項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目是在2017年啟動(dòng)的。美國宇航局把它歸類于“顛覆性研發(fā)計(jì)劃”之下。

按照美國宇航局的慣例，具體工作要外包給私營企業(yè)來承擔(dān)。被選中的企業(yè)叫做BWX技術(shù)公司。這家企業(yè)是傳統(tǒng)的核部件與核燃料供應(yīng)商，與美國政府有長期的合作關(guān)系。具體承擔(dān)美國宇航局合同的是下屬的BWXT核能有限公司，美國宇航局和這家企業(yè)簽署了為期3年、價(jià)值1880萬美元的合同，開發(fā)一種能用于載人火箭、前往火星的核熱推進(jìn)用反應(yīng)堆。

核熱推進(jìn)火箭打算用鈾或者氘作為燃料發(fā)生核反應(yīng)。加熱液氫，然后產(chǎn)生高壓氫氣，從噴管中噴射出去產(chǎn)生推力。如果這一階段取得成功，就向核電推進(jìn)發(fā)展，也就是用核反應(yīng)堆產(chǎn)生電力，驅(qū)動(dòng)電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

BWXT技術(shù)公司在官網(wǎng)上給出了一些信息。他們把核燃料的濃縮度定在了19.75%，任務(wù)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)反應(yīng)堆的核芯、熱流體構(gòu)造和機(jī)械設(shè)計(jì)，同時(shí)為美國宇航局的核動(dòng)力火箭設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證和支持。

具體來說，該公司設(shè)計(jì)了一種雙模式反應(yīng)堆。它的結(jié)構(gòu)非常容易理解，圓柱形反應(yīng)堆的正中是一個(gè)加熱室，就像化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室一樣。液氫通過兩根管道注入，通過回轉(zhuǎn)的管道在其中充分加熱，達(dá)到高溫高壓，然后從噴管中噴射出去。最近幾年，美國宇航局的預(yù)算中都列入了核動(dòng)力火箭的開支。其中在2019財(cái)年開列了1億美元，2020財(cái)年增加到1.25億美元。

▲ 核動(dòng)力火箭研制試驗(yàn)站C

▲ 在美國宇航局格倫研究中心展出的裂變發(fā)電原型，反應(yīng)堆核心在底部，熱管在中心，斯特林能量轉(zhuǎn)換器在頂部

▲ 美國宇航局研制的非核試驗(yàn)設(shè)施內(nèi)部

美國眾議院商業(yè)、司法和科學(xué)委員會(huì)在討論這項(xiàng)開支的時(shí)候，曾經(jīng)希望美國宇航局能在2024年安排一次核熱推進(jìn)的飛行驗(yàn)證。不過茲事體大，在2019年的討論中，國會(huì)對2024這個(gè)目標(biāo)沒有寫成白紙黑字，只是希望美國宇航局能制定一個(gè)核動(dòng)力火箭推進(jìn)演示驗(yàn)證的多年期計(jì)劃，給出有關(guān)的時(shí)間表，并且希望美國宇航局提出一份計(jì)劃，一旦核動(dòng)力火箭技術(shù)成熟之后，可以啟動(dòng)那些未來任務(wù)。

當(dāng)下的美國宇航局核動(dòng)力火箭發(fā)展目標(biāo)和幾十年前一樣，以低濃縮鈾（LEU）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可承受性。

具體目標(biāo)包括：

1.為載人火星任務(wù)提出一種低濃縮鈾核動(dòng)力火箭概念。

2.在緊湊型燃料棒環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備（CFEET）和核動(dòng)力火箭環(huán)境模擬器（NTREES）中，實(shí)現(xiàn)燃料棒的設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)。

3.為LEU燃料棒/反應(yīng)堆堆芯建立可靠的生產(chǎn)制造方法。

4.驗(yàn)證排氣捕捉作為核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法的可行性。

在美國，核動(dòng)力的有關(guān)研究依然是能源部下屬研究單位負(fù)責(zé)的。美國宇航局自己并不擁有核反應(yīng)堆，所以在馬歇爾航天飛行中心建立了一個(gè)模擬設(shè)施，也就是剛才說的NTREES，可以對核燃料棒之外的各種材料和器件進(jìn)行試驗(yàn)。NTREES可以實(shí)現(xiàn)6.9兆帕的壓力和近2760攝氏度的高溫，能有效模擬天基核動(dòng)力火箭的工作條件，為研究團(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵的基線數(shù)據(jù)。

▲ 米歇爾航天飛行中心副主任戴爾·托馬斯拿著一份惰性核熱推進(jìn)燃料樣本站在核動(dòng)力火箭環(huán)境模擬器（NTREES）旁

在先前成功研究和使用NTREES設(shè)施的基礎(chǔ)上，美國宇航局可以安全、徹底地測試各種尺寸的模擬核燃料元件，為未來核動(dòng)力火箭的設(shè)計(jì)提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

不過美國宇航局并不打算用核熱發(fā)動(dòng)機(jī)直接把火箭送入太空，而是用它作為低溫上面級(jí)?；鸺€是用傳統(tǒng)的化學(xué)燃料推進(jìn)劑起飛，核熱發(fā)動(dòng)機(jī)中的氫處于液態(tài)。當(dāng)火箭進(jìn)入太空、抵達(dá)比較安全的軌道之后，溫度也就比較低了。然后才啟動(dòng)反應(yīng)堆，把液態(tài)氫一點(diǎn)點(diǎn)加熱，作為工質(zhì)噴射出去。即使反應(yīng)堆有一定的輻射，也不會(huì)危及地球上的生命財(cái)產(chǎn)安全。

FD1和FD2

雖然國會(huì)沒有提出硬性要求，但是美國宇航局自己對實(shí)際飛行還是很重視的，畢竟這才是研發(fā)的終極目標(biāo)。美國宇航局科學(xué)家設(shè)想了兩個(gè)階段的飛行演示驗(yàn)證（FD），分別稱為FD1和FD2。用同樣的核反應(yīng)堆和推進(jìn)系統(tǒng)來實(shí)施，但演示驗(yàn)證的目的不同。FD1稱為“性能燃燒”，即反應(yīng)堆以最大功率運(yùn)行，以獲得可能的最大推力和比沖。燃燒持續(xù)時(shí)間的最小閾值由反應(yīng)堆達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間設(shè)定。FD2稱為“演示燃燒”，需要驗(yàn)證反應(yīng)堆和發(fā)動(dòng)機(jī)的反復(fù)重新啟動(dòng)能力。如果有可能，還要在FD2中演示反應(yīng)堆不同功率級(jí)別的操作。美國宇航局沒有為FD2的單次推進(jìn)持續(xù)時(shí)間提出具體要求。但是所攜帶的推進(jìn)劑越多，就可以收集更多關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)/反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)特征的數(shù)據(jù)，也就是說工作時(shí)間越長越好。

一般的實(shí)驗(yàn)性航天器在工作任務(wù)結(jié)束后就不需要過問了，但核動(dòng)力火箭有它的特殊性，如果操作不慎掉回大氣層里，就會(huì)帶來環(huán)境污染。因此無論FD1和FD2，都要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)離地球的墓地軌道，不能讓它掉回來。

按照技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，F(xiàn)D1期間，因?yàn)榧夹g(shù)不算很成熟、風(fēng)險(xiǎn)比較大，因此必須放在比較遠(yuǎn)的位置，因此美國宇航局為它設(shè)計(jì)了一個(gè)日心墓地軌道。FD2因?yàn)橐磸?fù)啟動(dòng)，所以必須處在地球測控網(wǎng)的監(jiān)視之下，所以將運(yùn)行在中圓地球軌道上。

FD1任務(wù)的遠(yuǎn)日點(diǎn)少于一個(gè)天文單位，也就是說，它在任何時(shí)候都處在比地球更接近太陽的位置上。不但如此，它還要和金星交會(huì)，用金星的引力進(jìn)一步靠近太陽。FD1任務(wù)期間所計(jì)劃演示的核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力不會(huì)太大，因此還是需要用化學(xué)火箭把它送入地球逃逸軌道，具體的任務(wù)流程是這樣的：

1.通過運(yùn)載火箭進(jìn)入地球逃逸軌道。

2.核熱推進(jìn)系統(tǒng)和電子設(shè)備自檢。

3.核熱發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

4.實(shí)施10分鐘的性能燃燒，反應(yīng)堆功率達(dá)到1兆瓦，推力達(dá)到454牛頓（100%推力）。

5.核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、冷卻。

6.把反應(yīng)堆和其他分系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)送回地球。

7.核熱推進(jìn)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)第二次自檢。

▲ 美國曾經(jīng)的火星計(jì)劃中，利用航天飛機(jī)和核動(dòng)力火箭在地球軌道上進(jìn)行載人飛船轉(zhuǎn)運(yùn)

▲ 使用核動(dòng)力火箭的火星飛船飛行示意圖

8.核熱發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序。

9.實(shí)施超過10分鐘的燃燒，反應(yīng)堆功率小于1兆瓦，推力小于454牛頓。

10.核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、冷卻。

11.把反應(yīng)堆和其他分系統(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)送回地球。

12.自由滑翔。

13.軌道修正機(jī)動(dòng)。

14.飛越金星。

15.進(jìn)入最終日心墓地軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)小于1個(gè)天文單位，與金星軌道不同步。

這個(gè)任務(wù)的持續(xù)時(shí)間約為124天，作為任務(wù)最關(guān)鍵部分的核動(dòng)力火箭推進(jìn)安排在發(fā)射后的頭幾天內(nèi)進(jìn)行。這就簡化了對氫氣長期存儲(chǔ)的要求，也降低了對核熱發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒期間關(guān)鍵電子設(shè)備和反應(yīng)堆設(shè)備的功率、量程和數(shù)據(jù)上行鏈路要求。

與FD1不同的是，F(xiàn)D2的主推進(jìn)系統(tǒng)（MPS）具有更強(qiáng)大的動(dòng)力，飛行器的質(zhì)量也更大。當(dāng)核熱發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)給航天器帶來顯著的軌跡變化。因此，F(xiàn)D2的核動(dòng)力火箭用來實(shí)施改變軌道傾角的機(jī)動(dòng)，這樣就允許它在全功率下運(yùn)行，而且對其他軌道參數(shù)的影響也比較小。FD2的任務(wù)流程是這樣的：

1.用化學(xué)運(yùn)載火箭把FD2飛行器運(yùn)送到2000千米高的圓軌道上。

2.核熱發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電子設(shè)備自檢。

3.核熱發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

▲ 核動(dòng)力火箭結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 核動(dòng)力火箭結(jié)構(gòu)

4.實(shí)施性能燃燒，反應(yīng)堆全功率運(yùn)行，達(dá)到270兆瓦，推力達(dá)到55.6千牛（100%功率輸出），運(yùn)行10分鐘，反應(yīng)堆監(jiān)測數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地球。

5.核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、冷卻。

6.第二次核熱發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電子設(shè)備自檢。

7.核熱發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

8.演示燃燒，減少軌道傾角，在55.6千牛以下推力工作不超過5分鐘，反應(yīng)堆功率輸出不超過270兆瓦，反應(yīng)堆監(jiān)測數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地球。

9.核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、冷卻。

FD2任務(wù)持續(xù)時(shí)間不超過一周，兩次核熱發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒都安排在任務(wù)的前1～3天。

FD1反應(yīng)堆采用“高含量低濃縮鈾”（HALEU）燃料，功率輸出為1兆瓦。這種配置是根據(jù)FD1對反應(yīng)堆的要求設(shè)計(jì)的，該反應(yīng)堆可以滿足2024年飛行的時(shí)間框架，還可以最大限度地使用成熟技術(shù)，并方便燃料棒的制造和測試。盡管FD1反應(yīng)堆的功率輸出比NERVA項(xiàng)目少得多，但尺寸和質(zhì)量卻與之相當(dāng)，因此技術(shù)難度比較小。FD1反應(yīng)堆的工作溫度約為1100 K，最高溫度接近1200 K，比沖大于520秒。

FD1的主推進(jìn)系統(tǒng)（MPS）以氣態(tài)氫作為主工作介質(zhì)。與液態(tài)氫等低溫推進(jìn)劑相比，選擇氣態(tài)氫可以方便推進(jìn)劑管理、降低對航天器熱控制的要求。同時(shí)，這也沒有改變核熱發(fā)動(dòng)機(jī)所需要考慮的分子和化學(xué)特性，因?yàn)榧词共捎靡簯B(tài)氫為工質(zhì)，在反應(yīng)堆和發(fā)動(dòng)機(jī)部分，氫還是要變成氣態(tài)乃至離子態(tài)的。FD1任務(wù)中設(shè)計(jì)了8個(gè)氣態(tài)氫罐，采用商業(yè)現(xiàn)貨。

MPS采用簡單的排氣設(shè)計(jì)，避免了復(fù)雜渦輪機(jī)械的需求。此外，MPS系統(tǒng)使用了一個(gè)非制冷的短管噴嘴，降低了對推力性能的要求，這就不需要為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜的再生冷卻系統(tǒng)，有利于簡化設(shè)計(jì)。MPS的最大推力為454牛頓，這實(shí)際上是由反應(yīng)堆功率所決定的。所攜帶的氫氣可以支持反應(yīng)堆工作20兆瓦分鐘的運(yùn)行，消耗約190千克的氫氣。因?yàn)榉磻?yīng)堆可以“節(jié)流”到不同的功率水平，這實(shí)際上意味著如果降低反應(yīng)堆輸出功率，所攜帶的氫氣可以使用更長時(shí)間。

如果反應(yīng)堆停機(jī)，那么氫氣的消耗量降低到最小程度，因此反應(yīng)堆溫度會(huì)有一個(gè)升高的過程，直至核燃料衰變到和深空熱環(huán)境溫度一樣為止。

氣態(tài)氫罐和發(fā)動(dòng)機(jī)之間用多層絕緣（MLI）材料隔離，輔助推進(jìn)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)有各自的帶有MLI的獨(dú)立加熱器。此外，在反應(yīng)堆與航天器的其他部分之間有特制的熱隔離設(shè)備。電子設(shè)備和其他儀器系統(tǒng)將被安置在離反應(yīng)堆盡可能遠(yuǎn)的地方，以盡量降低這些部件上的熱負(fù)荷。設(shè)置在反應(yīng)堆附近的傳感器和攝像設(shè)備需要用絕緣線路連接。

熱分析結(jié)果表明，通過綜合使用散熱器和熱屏蔽，反應(yīng)堆運(yùn)行產(chǎn)生的熱負(fù)荷得到了充分隔離。在任務(wù)期間，電子設(shè)備和其他儀器能在其溫度范圍內(nèi)良好運(yùn)行。

FD1上采用超柔性太陽能電池板提供，總發(fā)電功率超過6.4千瓦。FD1的電子/通信系統(tǒng)包括反應(yīng)堆、發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，因此比其他航天器的體積更大。反應(yīng)堆儀表包括多種用來監(jiān)測反應(yīng)堆健康的傳感器，包括壓力和溫度傳感器。此外，還有輻射監(jiān)測傳感器、抗輻射攝像機(jī)、紅外熱成像傳感器以及中子探測器。這些設(shè)備安裝在朝向反應(yīng)堆的吊桿上，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)期間出現(xiàn)推力羽流的區(qū)域。

FD2的結(jié)構(gòu)材料與FD1相似，大量采用鋁、鈦和不銹鋼元件。但是FD2的功率很大，因此考慮使用玻璃纖維復(fù)合支柱，以加強(qiáng)反應(yīng)堆與液氫罐、電子部件的熱隔離。

為了實(shí)施FD1飛行，美國宇航局已經(jīng)把研制工作推進(jìn)到了工程樣機(jī)研制，有關(guān)的時(shí)間表也制定了出來。加上DARPA的幫助，或許這一次，核動(dòng)力火箭真的可以變成現(xiàn)實(shí)了吧。