鲜为人知的苏联核火箭发动机项目

文/ 张雪松

▲ 克尔德什

空间活动能力的核心是推进系统，而推进系统发动机的比冲量，直接决定了空间活动的范围和规模。传统化学火箭发动机受到推进剂能量的限制，高能氢氧推进剂的理论最大比冲也只有520秒，实用氢氧发动机更是只有465 秒。相比化学能推进剂，核物质蕴含的能量要高得多，核火箭发动机能实现更高的比冲，具有光明的应用前景，核火箭发动机也得到了航天强国的高度重视。

核热火箭发动机的倡议

美国工程师斯塔尼斯拉夫·乌拉姆，在参与曼哈顿工程的1944 年就最早提出了核热火箭的概念，苏联人不久后也提出了类似的概念，美苏两国都不约而同地付诸实施。

1954 年秋，美国空军委托原子能委员会论证和研究核热火箭发动机，最初计划作为洲际导弹发动机，后来应用于运载火箭和深空探测器。1955 年，苏联科学院院士、后来成为苏联科学院院长的姆斯季斯拉夫·克尔德什也倡议研制核火箭发动机，苏联科学家和工程师们拿出了多个理论设计方案，积极向领导人推荐这种革命性的高性能火箭发动机。

面对美国研制核热火箭发动机的动向，以及苏联本国科学家的大力呼吁，1958 年苏联部长会议正式通过了研制核热火箭发动机的决定。首提核热发动机倡议的克尔德什院士，苏联核领域的开创者、原子弹之父伊戈尔·库尔恰托夫院士，苏联航天元勋谢尔盖·科罗廖夫都参与了核热推进系统的研制，苏联全国数十家研究院所和相关单位参与了这项革命性空间推进系统的研制工作，核热火箭发动机主要由位于沃罗涅日的化学自动装置设计局负责研制。

独特的苏联核热发动机方案

虽然美国核热火箭发动机的研制更早、投入更大，取得了很多成果，但苏联核热推进进行了很多技术创新，发动机设计的更为高效和安全。

▲ 库尔恰托夫诞辰100 周年纪念邮票

美国核热火箭发动机项目代号ROVER 计划，ROVER 计划使用均匀化的反应堆，先后建造了KIWI 系列等多个反应堆进行试验验证，而苏联的核热火箭发动机设计上采用非均匀核反应堆，其特点是核燃料和慢化剂分开布置，这种巧妙的设计具有诸多的优点：

可以单独对慢化剂进行冷却。这样，慢化剂选择时可以只考虑慢化性能，而无需过多的考虑耐高温能力，扩大了慢化剂选择范围并降低了研制难度。

减少了反应堆中耐高温部件的数量和种类。反应堆材料可选择类型更多，相应的降低了反应堆的设计和制造难度。

▲ 左起：科罗廖夫、库尔恰托夫、克尔德什

可以在单个或几个核燃料组件内验证液氢工质在反应堆内的热工过程。这样可在实验堆内进行测试，无需一开始就建造全尺寸的核反应堆，降低了试验难度和研制费用。

苏联的非均匀核反应堆还使用了模块化的堆芯设计，模块化设计意味着即使对核热火箭发动机的具体需求和指标尚不明确的情况下，就可以开始研制标准化的燃料组件。苏联研制了标准化的核燃料组件，通过不同数量组件的组合实现不同尺寸和功率的反应堆，通用化和组合化的核反应堆设计，有利于开发出系列化的核热火箭发动机，满足不同深空探测任务对核热火箭的性能需求。组合化设计还提高了核反应堆的安全性和可靠性，并降低了核热火箭发动机的研制成本。

核热发动机的研制

核热火箭发动机的理论比冲可达900 秒左右，是最好的化学能火箭发动机的两倍。从美国载人火箭设计参考DRM-1、DRM-3 到DRA-5 等报告看，核热火箭发动机可将地球出发级规模从1400 吨降低到800 吨左右，整体效率提高70%，应用前景十分诱人。

▲ 库尔恰托夫设计的火星94 任务飞船示意图

▲美国NERVA 核热火箭发动机

核热火箭发动机具有高比冲和大推力的特点，理论性能很好，但研制难度也很大，苏联从1958 年正式开始研制核热火箭发动机，直到1978 年才初现曙光，随后尚未上天实用就不幸中道崩殂。苏联为了研制核热火箭发动机，积极进行耐高温燃料组件的研制，设计制造了多个核热推进装置，还先后建造了IGR、IVG-1 和IRGIT 这3 个专用试验堆，虽然核反应堆的建造规模小于美国的ROVER/NERVA 计划，但资金投入仍然不小。

IGR 是一种非均匀气冷的石墨脉冲核反应堆，它能在很短时间内产生极高通量密度的中子和伽马射线，主要用于检验核热推进系统燃料组件在苛刻的核辐射环境下的可靠性。IGR 反应堆为验证燃料组件的结构方案和制造工艺铺平了道路。

▲ 苏联核热火箭发动机RD-0410

▲ 美国KIWI-B4A 核热火箭发动机

IVG-1 是一种非均匀气冷、以水为慢化剂的核反应堆，它使用模块化堆芯设计，可以调整甚至更换全部的燃料组件和慢化剂。IVG-1 反应堆拥有独立的氢气输送装置，不仅能对各种方案的燃料组件进行试验，而且对加热氢气的热工过程进行了验证。

IRGIT 是苏联核热火箭发动机RD-0410 的地面原型堆。IRGIT 实现了从启动、全功率运行到停机和检查的全程试验，试验中达到了42 兆瓦的最大功率，经过堆芯加热后，氢工质的平均温度超过2300 摄氏度，为空间核热火箭发动机RD-0410 的研制奠定了坚实的基础。

核热推进的试验和终结

1978 年，苏联在塞米巴拉金斯克试验场进行了核热火箭发动机的初步测试试验，对IRGIT 核反应堆进行了多次功率测试。氢气是一种强效的化学还原剂，在高温下还原性更强。2000 ～3000 摄氏度的高温氢气环境中，保持发动机的稳定工作是一个重大技术难题。苏联研制的三元碳化物燃料较好地解决了这个问题。然而，核热火箭发动机的核污染问题更大，一旦反应堆出现故障甚至是泄露，高温氢气带着高辐射性的核燃料喷出，将是一场巨大的环境灾难。

上世纪80 年代，苏联对RD-0410核热发动机的地面原型堆进行了多次试验，样机在试验台上进行了多次电加热试验，对3.5 吨推力的RD-0410 核热火箭发动机从材料、工艺到总体结构方案的正确性，为制造真正的核热火箭发动机做好了准备。然而，苏联末期动荡的岁月毁灭了核热火箭发动机用于深空探索的梦想，苏联不堪重负的财政难以承担这些烧钱无数的航天项目，使用核热火箭发动机探测月球和火星的宏伟梦想，连同尚在襁褓中的核热火箭发动机在1988 年被束之高阁。

冷战结束后，俄罗斯曾提出库尔恰托夫火星94 载人任务，使用RD-0410核热火箭发动机作为动力系统的设想。本世纪初，俄罗斯还曾利用苏联在空间核动力领域的丰厚技术积累，提出了研制核热核电双模式空间动力系统，用于未来的载人深空探测任务。遗憾的是，俄罗斯提出的这些方案缺乏资金投入，始终停留在了纸面上。近些年来，俄罗斯又把重心转向核电推进系统，核热推进技术很可能要出师未捷身先死了。★