星际引擎初探

李伟

随着载人航天和深空探索的计划不断推进，越来越多的人开始憧憬星际旅行——搭乘太空飞行器飞出太阳系。这类飞行器无疑需要强大的动力系统——星际引擎。目前有两种概念型航天动力系统具备很大的研发和应用潜力，且完全处于现有的科学框架之内，无须依赖新的物理理论或奇异的新物质。

激光灼烧金属产生推力

据美国《金属研究》杂志报道，各国航天工业的研究证实，太阳能不足以推动未来用于星际探索和旅行的大型太空飞行器，新型推进技术的开发越来越受到重视。其中，利用激光束灼烧物质推动飞行器，是最新的研究方向。这虽然听上去充满科幻色彩，但具备一定的可行性。

激光驱动技术的原理是利用高能激光灼烧物质生成气体，气体膨胀产生推力，推动飞行器前进。该技术具有推力大、成本低等优点，可广泛用于卫星发射、太空轨道碎片清除、卫星姿态和飞行轨道控制等领域。如果应用于卫星发射方面，这种技术能够使发射成本降低到每千克数百美元，低于目前每千克数千美元的发射成本。

NASA设想的激光驱动型火箭

俄羅斯研究用激光推动帆状装置驱动飞行器

据英国《新科学家》杂志报道，美国航空航天局（NASA）设有一间激光驱动技术实验室，正在测试这种激光灼烧驱动技术，即利用强大的激光束灼烧飞行器尾部装载的燃料，产生高能气体提供推力。另据俄罗斯《观点报》报道，俄罗斯航天科技部门也在研究类似的技术：用激光束灼烧物质，生成高压气体，推动太空飞行器上安装的帆状装置，作为前进的动力。

《金属研究》指出，激光驱动技术的关键是找到一种合适的驱动燃料，金属被认为是理想的选择，因为少量金属经激光灼烧后就可以产生强大的推力。不过，选用何种金属要经过广泛的论证和试验。

NASA的激光驱动研发工程已经选中了一种金属——钍，它具有微弱的放射性，经过激光照射很容易发热，继而在一个闭合空间中产生气体。这种气体可为引擎提供动力。或许有人担心钍的安全性，但研究表明，铝箔可阻挡钍的辐射外泄。据估算，约8克钍就足以为一辆高速行驶的跑车提供动力，并且可以维持它行驶10万公里。可见，这种金属具备驱动太空飞行器的潜力。

与现有的火箭推进系统以及核动力系统相比，激光驱动系统在体积和重量上都拥有一定的优势。由于金属燃料所占的空间比较小，激光驱动的太空飞行器将拥有可观的载荷。

激光驱动系统是未来太空动力系统的一个重要发展方向。各国的航天机构可能先开发一款小型、机动性强、可重复使用的激光驱动火箭，以测试其有效性。一旦获得成功，就可以开发大型激光驱动飞行器。

不过，激光驱动技术面临重大挑战。首先，激光束必须精确聚焦于飞行器的驱动装置，不能有丝毫偏差，否则飞行器就会因为得不到足够的动力而失速;其次，激光束发射装置的功率必须“超级强大”，也就是说，要在超大功率激光发射器方面取得技术突破。

核动力液体燃料火箭

激光驱动技术尚处于概念研发阶段。与之相比，利用核动力系统作为星际引擎的方案更为成熟，未来第一艘飞出太阳系的载人航天器，很有可能由核动力引擎驱动。

核动力液体燃料火箭的动力系统

NASA和美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室正在联合开发一种新型核动力火箭，它被认为是星际引擎的主要发展方向。

这种火箭的核心是其采用的新型燃料——铀化物和水的混合物，它可以在引擎中持续进行强劲的核反应。当铀原子被中子击中时，会变得不稳定，裂解为氪和钡，从而激发链式反应。这一过程会释放出大量能量。核动力液体燃料火箭中的水，可以起到慢化剂的作用，使链式反应持续进行。核反应产生的热量将水变成炽热的等离子体，为火箭提供推力。

核动力液体燃料火箭喷出的尾气，温度达到传统火箭尾气温度的上百倍，后者的温度高达3200摄氏度。由此可见，核动力液体燃料火箭效率更高、推力更强大。

核动力液体燃料火箭以持续进行的核反应为动力源。铀元素以四溴化铀的形式、2%的浓度溶解在水中，其中20%—25%为铀-235，从而提供可发生核反应的裂变材料。除了铀化物，核动力液体也可以采用钋化物。

这种效率极高、推力极大的引擎正是航天系统工程师梦寐以求的。一旦研发成功，核动力液体燃料火箭将成为有史以来最强大的火箭。

利用铀化物作为燃料，核动力液体燃料火箭只需要数月便可抵达太阳系边缘。相比之下，利用传统火箭前往土星，单程就需要3—7年时间。

核动力液体燃料火箭的排气速度约为每秒6万米，而传统火箭只有每秒4500米。然而，要想实现抵达遥远星系的梦想，这个速度依然远远不够。核动力液体燃料火箭的速度要达到光速的二十分之一，还需要把低浓度的铀替换成更“强大”的物质，比如武器级别的高浓度铀。这种铀化物中含有90%的铀-235，比试验系统中的20%高得多。

假如一枚330吨的火箭携带足够的核动力液体燃料，其中铀-235的含量为90%，那么其排气速度可以达到每秒9000公里，约为光速的3%。

这种火箭产生的热量也许是它最大的瓶颈。能经受如此的高温和辐射的排气喷嘴，一定要用极其坚固耐用的材料制成。另外，燃料罐也要用特殊的、能够吸收中子的材料制成。

激光灼烧金属推动太空飞行器想象图

碳化硼密度低、强度大，常被用于制造武器系统。它是硬度最大的材料之一，之所以在核能领域能够得到广泛应用，另外两个原因是它吸收中子的能力和强大的化学稳定性。如果没有硼元素来吸收多余的中子，那么核反应就可能失控。因此，可以用碳化硼制成长长的管道，让燃料通过管道进入反应舱，再发生链式反应。此外，为了让喷嘴和反应舱冷却下来，还需要有水从这些部位表面流过，带走多余的热量。

那么，反应舱本身要用什么材料制成呢？什么样的材料才能承受如此剧烈的反应？对此，NASA专家解释，这种新型火箭最关键的并不是材料，而是液体的流动。如果液体在反应舱中的流动速度保持在合适的水平，其释放的能量便会大多集中在反应舱尾部，对舱体本身不会造成太大压力。

与核动力液体燃料火箭相关的所有工程问题，基本上都能用现有的科学方法解决。但由于目前尚未造出原型机，所以人们还无法确定这一方案是否能够成为现实。

核动力液体燃料火箭的原理，决定了它在飞行过程中会不断释放出放射性物质。因此在从地球进入太空时，该型火箭不能使用核动力推进，否则会对周边区域造成污染。一旦进入深空，这就不是问题了，因为遥远的距离能将放射性物质“稀释”到可以忽略的水平。即使有放射性物质落到地球上，其数量也可以忽略不计。

光有核动力液体燃料还不够，火箭还需要借助激光加速等技术，才能离开地面，飞往遥远的星系。此外，由于大部分燃料都将用于加速，科学家还无法确定该型火箭即将抵达目的地时该如何减速。不过，它仍然被认为是借助现有技术能够制造出的最佳星际引擎。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com