離不開地面的“幾維鳥”

文/ 李嵩

1962年9月，時任美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪在賴斯大學的演講中，發(fā)表了著名的《登月宣言》，“我們決定在這10年間登上月球并實現(xiàn)更多夢想，并非它們輕而易舉，而正是因為它們困難重重?！碑斈辏绹詈骄值奶沼媱澘芍^雄心勃勃，肯尼迪口中的更多夢想，除了載人登陸火星和建立月球永久基地，甚至還包括“到達太陽系的邊緣”。

雄心勃勃的“火星計劃”

馮·布勞恩在早年發(fā)表的一本小冊子《火星計劃》中，對人類登陸火星的方案進行了詳細的規(guī)劃和論證。受困于化學能火箭的低效，布勞恩的地球到火星之旅單程就長達8個月。每個航天員都要攜帶12噸氧氣、8噸食物和13噸飲用水，除了要承受長期狹小空間內(nèi)的幽閉，還不得不直接暴露于或許會致命的宇宙輻射中。

為了能在1978年實現(xiàn)載人登火的目標，美國宇航局把目光投向了熱核火箭。用核反應堆代替化學燃料的燃燒來對工質(zhì)加熱，將可以使火箭發(fā)動機在消耗更少燃料的情況下，獲得更大的速度增量，從而將地球到火星的飛行時間縮短一半以上，甚至有希望在100天以內(nèi)就完成旅程。這既意味著可以砍掉很多供航天員維生的物資重量，也將大幅減少航天員在宇宙輻射中暴露的時間。最關(guān)鍵一點，熱核火箭的出現(xiàn)，將使人類不必再等待26個月才出現(xiàn)一次的霍曼轉(zhuǎn)移軌道周期，地火之間的飛行窗口將有更多的靈活性。

▲ 幾維鳥-B4A發(fā)動機

應運而生的熱核火箭

除了“火星計劃”，美國宇航局還計劃讓熱核火箭在建設駐月球永久基地和“土星5號”發(fā)展型中扮演重要角色。為了加速熱核火箭的研究，美國宇航局和原子能委員會聯(lián)合成立了航天核推進辦公室，協(xié)同領(lǐng)導熱核火箭的研發(fā)工作，其中原子能委員會負責核反應堆的部分，其余非核部分由美國宇航局負責。

▲ 沒有翅膀的幾維鳥

航天核推進辦公室選擇了洛斯阿拉莫斯實驗室承擔熱核火箭的原理性研究工作，他們之前在美國空軍核動力飛機的小型核反應研制中積累了相當豐富的經(jīng)驗，為了對比不同工質(zhì)、結(jié)構(gòu)和循環(huán)方式的優(yōu)缺點，洛斯阿拉莫斯實驗室的工程師們建造了大大小小的十幾個核反應堆開展了廣泛的實驗，想要摸索出一種理想的熱核火箭構(gòu)建方式。他們給地面試驗用的熱核火箭發(fā)動機起名叫做“幾維鳥”，這種小鳥是新西蘭的特有物種，身材小巧而粗短，外形上和熱核火箭的樣子很吻合，但又因為天生無翼，只能在地上奔跑，這似乎也預示了整個計劃的最終結(jié)局。

1962年9月1日，在美國內(nèi)華達州沙漠深處，“幾維鳥-B1B”反應堆被激活，液氫作為推進劑和冷卻劑流進堆芯，與2000攝氏度的燃料棒接觸后被迅速加熱，并加速噴出。但當反應堆功率提升到900兆瓦后不到一分鐘，反應堆就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，二氧化鈾和放射性同位素跟著工質(zhì)一起被排入了大氣，試驗即刻中止，人類核動力航天的序幕才剛徐徐拉來就又被合上了。由于在之后的幾次試驗中又連續(xù)發(fā)生了諸如反應堆解體噴出、融堆等惡性事故，在之后舉行的預算聽證會上，出于安全性的考慮，核火箭項目被勒令停止后續(xù)的飛行試驗計劃，而只進行地面測試和試驗。

為了回答安全性的質(zhì)疑，洛斯阿拉莫斯實驗室專門進行了一次“幾維鳥-爆炸”試驗，反應堆在超臨界狀態(tài)下僅用156毫秒就發(fā)生了爆炸，但并不是核爆炸，核裂變高溫汽化的石墨僅僅炸飛了反應堆的外殼，現(xiàn)場看起來僅是一場大型煙花秀，而沒有出現(xiàn)壯觀的蘑菇云。

生不逢時的“幾維鳥”

回答了安全性的問題，洛斯阿拉莫斯實驗室的工程師在結(jié)構(gòu)設計和減少燃料棒腐蝕方面取得了重大技術(shù)突破，使“幾維鳥”反應堆具備了參加“反應堆-發(fā)動機”地面聯(lián)合試驗的條件。

▲ “幾維鳥”反應堆爆炸試驗

▲ NERVA發(fā)動機樣機

1964年，旨 在 開 發(fā) 以“幾 維鳥-B4E”反應堆為熱力核心的火箭發(fā)動機原型機計劃——“火箭運載器應用核發(fā)動機”（NERVA）項目正式啟動，美國宇航局選擇了航空噴氣和西屋兩家公司作為承包商承擔研發(fā)任務，而洛斯阿拉莫斯實驗室則繼續(xù)在“幾維鳥”基礎(chǔ)上進行下一代核反應堆的研制。

NERVA發(fā)動機在運行時，加壓的液氫燃料由貯箱流出，被燃料泵再次增壓后進入噴管壁面的冷卻通道，吸熱升溫，之后除一小部分用來驅(qū)動渦輪泵之外，大部分氫燃料進入反應堆與壓力容器外殼之間的反射層內(nèi)，冷卻反射層和置于其中的控制棒，吸收大量熱的同時汽化膨脹，最后由噴管噴出，產(chǎn)生推力。

NERVA發(fā)動機全高6.7米，外觀看起來和一般的火箭發(fā)動機并沒有太大區(qū)別，只是用一個柱狀的反應堆壓力外殼取代了燃燒室，驅(qū)動渦輪泵的循環(huán)方案選擇了開式熱循環(huán)，這樣可以獨立開發(fā)和測試渦輪泵系統(tǒng)而無需和整個系統(tǒng)整合，這主要是順應發(fā)動機各系統(tǒng)獨立開發(fā)再逐漸加入系統(tǒng)聯(lián)試的模塊化研制方式，這樣可以降低研制風險，提升安全性。

▲ NERVA發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

▲ 系統(tǒng)聯(lián)試狀態(tài)的NERVA發(fā)動機

▲ 聯(lián)試狀態(tài)發(fā)動機外殼內(nèi)設備情況

▲ 完整狀態(tài)NERVA發(fā)動機參試狀態(tài)

NERVA發(fā)動機第一階段的前兩次試驗都以測試核反應堆性能為主，1966年2月在之前“核反應堆試驗”發(fā)動機基礎(chǔ)上加入了渦輪泵系統(tǒng)，進行了一次比較完整的系統(tǒng)聯(lián)試，試驗中渦輪泵和反應堆都可以按照要求多次重復啟動，在整個將近2小時的運行期間，在很寬的范圍內(nèi)發(fā)動機都可以穩(wěn)定工作，各部件的耐久性得到了充分驗證?！皫拙S鳥”反應堆全功率運行了28分鐘，創(chuàng)造了新的反應堆運行時間記錄。

▲ 完整狀態(tài)NERVA發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1969年，NERVA發(fā)動機迎來了第一階段的大考，在這次完整狀態(tài)發(fā)動機試驗中，幾乎全部發(fā)動機子系統(tǒng)都具備了實際飛行狀態(tài)，發(fā)動機在沒有外部供能的情況下自行啟動，并經(jīng)受了各種可能的飛行條件的考核，反應堆受控重復啟動了28次，完全驗證了所有設計功能，展現(xiàn)出了遠超氫氧火箭發(fā)動機的強悍性能，并在穩(wěn)定運行115分鐘后關(guān)閉。試驗的成功證明了NERVA發(fā)動機已具備了太空飛行的能力，并且其比沖（火箭發(fā)動經(jīng)濟性能指標）超過氫氧發(fā)動機2倍以上，一個由熱核火箭驅(qū)動的太陽系大航海時代似乎即將到來。

但隨著美國國內(nèi)政局和輿論的快速轉(zhuǎn)向，美國宇航局的預算被大幅縮減，“火星計劃”和“月球基地”項目被砍，“土星5號”火箭生產(chǎn)線被關(guān)閉，NERVA發(fā)動機一下子失去了應用目標，被裁撤就變成了順理成章的事情。洛斯阿拉莫斯實驗室對小型核反應堆的研究則堅持到了1972年，也不得不終止，沒有翅膀的“幾維鳥”雖然擁有了核的心臟，最終也沒有能夠離開地面。★