核火箭带人上火星

尹怀勤

近日，美欧宣布在Exomars火星生命探测计划上展开合作。双方将各有分工，其中火星着陆车、机器人和钻探工具由欧空局负责，火箭发射和轨道舱则由美方负责。

Exomars探测器是欧空局于2005年决定研发的火星生命探测航天器，计划2011年进行发射。探测器上将载有一个漫游机器人，携带一系列的研究宇宙生物学的科学仪器，探测火星上可能存在的生命。但后来这项计划在实施过程中遇到许多难题，致使发射时间一再推迟，目前预定于2016年发射，并考虑减轻探测器有效载荷的重量。其中一直困扰着欧空局的难题就是发射和动力装置问题，于是便想到了与美国宇航局实现合作。

美国宇航局从2003年初就开始研制核动力火星探测器。探测器发射时先由多级化学运载火箭将其送入800千米以上的绕地轨道运行后，核火箭才开始工作，推动探测器冲出地球引力范围并按预定轨道在太空高速飞行，最终抵达火星进行绕飞探测或着陆考察。

鉴于美国和欧空局都已宣布，将分别于2031年和2033年派人登临火星，故而目前联手研发核动力火星探测器的举动，很可能为以后合作研制核动力火星载人飞船奠定基础。

虽然美欧合作研发核动力火星探测器的具体细节尚未透露，但是采用核火箭来进行推动的方案并未变动。其关键技术之～就是核火箭的研制问题。目前广泛使用的是技术比较成熟的化学能火箭，而核火箭和电火箭以及太阳能火箭则属于非化学能火箭，亦称为非常规推进系统，其中有的已经付诸应用，有的尚处于研发之中。

核火箭发动机是利用核反应或放射性衰变释放的能量加热工作介质，使工质通过喷管膨胀后高速排出产生反作用推力的。这种发动机性能高、速度快、寿命长，但技术复杂，只适用长期飞行的航天器。研制中存在的主要问题是辐射防护、排气污染、反应堆的控制以及高效率换热器的设计等。由于这类问题不易攻克，所以从20世纪60年代就开始研究的核火箭发动机，至今仍处于试验阶段。

根据核能释放方式的不同，核火箭发动机可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。放射性同位素衰变火箭发动机的工作原理是将放射性同位素衰变产生的射线转变成热能，再加热工质形成推力，适用于0.1千克以下的低推力状态，显然不能用作火星探测器的动力装置：核聚变火箭发动机的工作原理是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量加热工质产生推力的。因为核聚变的控制问题尚未解决，所以，这种发动机仍处于探索和研究阶段。由此可见，美国自行研制的核动力装置只能是核裂变火箭发动机。

按照核反应物质的状态不同，核裂变分为固体堆芯和气体堆芯两种，其工作原理都是利用重原子核裂变反应释放出大量能量加热工质产生推力的。虽然气体堆芯式核裂变火箭发动机性能更为优越，但由于还存在大量的技术难题，因此目前美国研制的用于火星探测器的核动力装置乃是固体堆芯式核裂变火箭发动机。

固体堆芯式核裂变火箭发动机发展较早，主要由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。反应堆通常用含铀235或钚239的浓缩物制成，工作时发生核裂变产生热能，加热工质。工质都是低分子量物质，如液氢、液氦和液氨等，一般都用液氢。输送系统将工质先送入喷管冷却套冷却推力室，然后进入核反应堆加热，最后通过喷管膨胀加速排出，从而产生推力。控制系统调节工质的流量和控制核反应的功率，以使发动机的推力能满足实际飞行的需要。

火星探测器采用固体堆芯式核裂变火箭发动机进行推动的理由是，它不仅能长期工作，如可运行10年以上的时间，而且还能提供更高的速度，如秒速可达24.17千米，超过了第三宇宙速度。若探测器以化学火箭提供的第二宇宙速度飞行，抵达火星需要9个月，而以核火箭提供的高速飞行，抵达时间则可缩短到2个月之内。从长远看，核火箭还能推动载人航天器到太阳系空间邀游并送航天员在可以登临的星球上进行着陆考察和开展科学研究。

若要实施核动力火星载人飞船方案，送人登上火星，由于要携带航天员及其所需的生活用品和工作设备，航天器重量增加较多，肯定还要进一步提高核火箭发动机的推力。同时核动力存在的安全隐患必须引起高度重视，特别是核辐射对航天员健康造成威胁的问题亟待解决。因为核火箭飞船内的辐射量相当于每天做8次x光透视，会对人的身体带来损害。由此可见，核动力火星载人飞船比核动力火星无人探测器要复杂得多。而且，若要取代从地面发射使用的多级化学运载火箭，发展先进的、大推力高推重比的、可用于单级入轨的大型核火箭发动机，那还要解决更多的技术难题。假若这一设想一旦变为现实，那将是航天运载工具史上的一大飞跃。(文章代码：1605)

责任编辑庞云