奔赴火星

杨孝文

第一个踏上火星土地的宇航员乘坐的飞船所使用的火箭不会是曾将“阿波罗11”号飞船送上月球的化学燃料火箭，而是更为先进的核动力火箭。化学燃料火箭无法提供足够的推进力，导致宇航员在抵达火星前不得不忍受几个月的危险太空辐射。为此，美国航空航天局将目光转向长期被忽视的核热火箭技术，用于将首批火星探险家送上这颗红色星球。

并非新技术

核热火箭并不是一项新技术。1942年，也就是在恩里科·费米成功进行核裂变反应堆实验之后，研究人员就开始讨论利用核动力驱动火箭和飞机的前景。1944年，芝加哥大学冶金学实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究小组打造了一个早期的核热设计，利用裂变反应堆加热氢气，然后让氢气穿过一个小喷口，产生推进力。核燃料的能量密度大约是化学燃料的10⁷倍，采用这种燃料的火箭重量只有化学燃料火箭的1/2寿右。核热火箭能够让负荷和燃料的比率从1：1提升到7：1，尤其是在作为上级火箭的时候。这一设计吸引了美国空军的目光。1947年和1949年，空军方面在橡树岭国家实验室进行了一系列秘密测试。

核热技术的研发一度沉寂了几年时间。1955年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开始研发核动力洲际弹道导弹，1956年又开始研制核动力冲压式喷气发动机。1957年，美国空军认为核热技术并不适合军队，建议进行非核方面的研发。空军的研发计划被称为“漫游者”计划，后来移交给新成立的美国航空航天局。

“漫游者”计划1955年启动，1972年终结。1961年，这项计划进展快速并取得巨大成功，促使马歇尔太空飞行中心申请在1964年之前进行反应堆飞行测试。这是一项具有里程碑意义的进展，让研究人员看到了建造和发射最终样机的希望。为了响应马歇尔太空飞行中心的请求，美国政府在1961年成立了航天核推进局，负责对研发工作进行监督和规划，同时与美国航空航天局和原子能委员会展开合作。美国航空航天局关注的是飞行系统和发动机设计，原子能委员会致力于研发反应堆技术。航天核推进局的第一任局长H.B.哈里·芬格做出推迟发射的决定，要求对发动机做飞行测试前必须进行一系列严格的性能测试。

打造多种设计

美国航空航天局启动了核火箭发动机应用计划，旨在研制一种可用于太空探索的核热星际飞船发动机。在17年时间里，这项计划研发了超过20种截然不同的火箭设计，其中包括1955年-1964年的早期设计——“几维”，1964年-1969年的“太阳神”以及1970年-1971年测试的“山鹬”。“几维”并非为了飞行测试设计，“太阳神”的体积更大，处在设计的中间阶段，所有这些设计最后都被“核熔炉”设计取代。“几维”的另一个派生设计“核火箭实验”系列1964年开始测试，1968年结束。

每个设计都有两个核反应堆，在洛斯阿拉莫斯国家实验室的帕哈利托基地建造，其中一个反应堆用于进行零功率临界实验。实验中，反应堆在极低温度环境下进行持续裂变，所产生的热效应可以忽略不计。另一个用于全功率测试，在偏远的内华达州试验场进行。之所以选在这个试验场是因为一旦测试的发动机发生爆炸，核物质将被喷射到周边地区，造成污染。洛斯阿拉莫斯国家实验室名为“西格马”的设施负责生产钚-238。钚-238是钚-239的“非裂变兄弟”，轰炸日本的原子弹使用的就是钚-239。

第一代“几维”的第一次测试在1959年中期进行。“几维”由一系列无涂层氧化铀盘构成，浸泡在液体氢中。这是一种非常简单的核发动机，但却能够产生70兆瓦电量和2683K的温度。第二代“几维B”用氧化铀小球代替铀盘，悬浮在一个石墨栅阵中，上面有碳化铌涂层，液态氢穿过这些小球产生排气。早期的“几维”设计存在一些缺陷，在整个项目结束时也没有得到彻底解决。其中一个缺陷是发动机强烈震动并发出咔嗒声，足以导致燃料束破裂，变成废物。此外，由于温度过高，超热液态氢腐蚀反应堆内壁。

测试中出现安全壳破损将酿成灾难，是一个必须考虑的危险因素。这种破损可由轨道器撞击地面、裂变失控或者设计缺陷导致，能形成可怕的“辐射雨”，对地表大面积区域造成核污染。1965年，研究人员在内华达州试验场杰卡斯平地中部地区炸毁了“几维”反应堆。爆炸产生的辐射尘杀死了方圆约200米内的一切生物，遭受污染的区域达到约600米。辐射尘的数量取决于核发动机采用的燃料类型，固态燃料棒和碳栅阵中的小球所产生的辐射波及范围远低于气态或者液态燃料。

NRX系列取得成功

在研制“几维”5年后，美国航空航天局开始将目光投向体积更大的发动机——“太阳神”系列。这种火箭的最初测试在1959年进行，持续了10分钟，产生了1064兆瓦电量和2370K的温度。1967年进行的测试持续了30分钟，产生了1500兆瓦电量。“太阳神-2A”曾在短短12分钟内产生4000兆瓦电量，成为当时世界上制造的功率最大的核反应堆。4000兆瓦电量相当于切尔诺贝利核电站的总发电量，可满足300万家庭的用电需求。

500兆瓦的“山鹬”是在最初的“几维”设计基础上研制的，用于测试新的碳化锆涂层，取代最初的碳化铌。“山鹬2”的堆芯设计将燃料导致的腐蚀风险降到1/3。在研制“山鹬”的同时，美国航空航天局还在测试一种截然不同的火箭设计，利用水进行冷却，被称为“核熔炉-1”。

“几维”的另一个派生设计“核火箭实验”系列于1964年开始测试，后进化成NERVA NRX/XE，并且一度接近于做好试飞准备。1968年，航天核推进局对XE进行了28次测试，测试在低压舱内完成，用以模拟太空真空环境。每次测试中，XE都能产生超过1100兆瓦的电量以及约3.4万千克的推进力。这是航天核推进局要求马歇尔太空飞行中心必须满足的功率基线，否则不准进行反应堆飞行测试，更不用说使用这种发动机将宇航员送上火星。测试过程中，发动机运行时间超过2小时，其中有28分钟的满功率运转。通常情况下，只有在燃烧完所有17千克燃料之后，测试人员才让发动机停下来。

XE的成功以及洛斯阿拉莫斯国家实验室在材料方面取得的进步让科学家看到了核动力火箭的巨大发展潜力。一些科学家希望用这种火箭取代土星I及土星IV的第二级和第四级的J-2助推器，其他人则希望将其作为“太空拖拉机”，用于将航天器从地球低轨道拖人更高的轨道，例如月球轨道或者更远的轨道。不幸的是，所有这些想法最后都只停留在图板上，因为整个计划在1972年被取消。

满足深空探索需要

迄今，美国已经成功将人类送上月球。阿波罗时代后，美国又进入航天飞机时代。核技术遭到很多公众的反对，利用核热火箭实施载人火星任务在预算上将是一个惊人数字，所有这些都让美国国会不得不谨慎对待。如果放弃载人火星任务，美国政府就没有任何有说服力的理由研制核热火箭。因此，尽管满足了除重启60次和持续运转10小时以外的所有测试指标，漫游者/核火箭发动机应用计划最后还是被取消。

漫游者，核火箭发动机应用计划的所有火箭都使用钚-238，这是一种非裂变同位素，半衰期为88年。由于半衰期较短，从天然形成的钚中分离出这种特定的同位素难度较大。通常情况下，利用伯克莱实验室的格伦·西博格和埃德温·麦克米伦于1940年研发的方式合成钚-238，即利用氘核轰击铀-238。对于深空探索来说，钚-238无疑是一个昂贵的日用品。进入深空后，太阳能电池板便失去了原有的作用。美国航空航天局的放射性同位素热电发生器也采用钚-238，为绝大多数深空探索任务提供能量。钚的导电性很差，衰变产生大量热量，驱动放射性同位素热电发生器时会产生阿尔法粒子辐射。著名的“旅行者”号飞船、“卡西尼”号飞船、“好奇”号火星车以及“新地平线”号探测器都依赖于核能执行探索任务。

三种堆芯

固态堆芯。最简单的堆芯设计利用固态燃料（例如“几维”和“太阳神”采用的盘和小球）加热液态氢气，产生热量和推进力。由于受到反应堆安全壳熔点的限制，这种设计产生的温度在22K～300K之间。在使用液态氢推进燃料的情况下，固态堆芯在850秒～1000秒内产生的推动力是航天飞机主发动机的2倍。

液态堆芯。如果不将核燃料放入石墨栅阵，而是把燃料球直接与液态氢混合在一起，最后制造出的液态堆芯发动机可以产生超过核燃料熔点的温度——至少理论上如此。没有人制造出液态堆芯发动机。将放射性燃料注入发动机的同时，允许工作流体存在是一项巨大挑战，不过，与球形燃料反应堆类似的旋转式设计可以利用向心力将二者分离，这让研究人员看到了希望。

气态堆芯。研制气态堆芯反应堆的难度甚至超过液态堆芯，需要让氢气蒸汽环绕一个旋转的“铀气囊”。由于燃料不与吸热堆芯室壁接触，温度可以达到数万K，在3000秒～5000秒内产生30千牛-50千牛的推进力。

面临燃料短缺

在搁置了几十年后，美国航空航天局和俄罗斯联邦航天局（在冷战期间研制了很多核热火箭，但从未对自己的设计进行实际测试）于2012年4月宣布，他们将重新研发核发动机火箭技术，同时展开一项投资6亿美元的联合发动机研制计划，法国、英国、德国、中国和日本也可能参与其中。

马歇尔太空飞行中心正在研制自己的核低温推进级，作为未来太空发射系统的一部分。这个上级将由液态氢燃料进行超冷却，在安全离开大气层后启动裂变反应。不过，由于自美国航空航天局最后一次测试核热火箭技术之后地面核试验被全面禁止，研究人员不得不借助马歇尔太空飞行中心的核热火箭元素环境模拟器进行研究。这个模拟器可以精确模拟核热火箭发动机各组件之间的交互作用，允许火箭学家在不产生辐射尘的情况下对设计进行改进。美国航空航天局研究员、核热火箭元素环境模拟器管理人员比尔·伊默里奇表示：“我们利用这个测试设施获取的信息能够防止工程师的设计存在缺陷，提高燃料元件和核推进系统的效率。我们希望能够在不久的将来研制出一个可靠的，并且具有成本效益的核火箭发动机。”

在研发这一革命性的发动机技术过程中，美国航空航天局面临着燃料短缺问题。自20世纪80年代以来，美国便从未生产过钚-238。据估计，美国现存的钚-238将在这个10年结束前耗光。美国航空航天局宣布美国能源部将在2017年再次生产钚-238。能源部太空与防御动力系统负责人瓦德·卡罗尔在2012年3月举行的核与新兴空间技术会议上表示：“我们将重新开始生产钚。在获得新钚前，我们可能需要等待5年或者6年时间。”能源部计划每年生产1400克-1800克钚，足以满足机器人行星探索任务的需要。我们现在需要的就是研制行星际飞船。