展望核動力發動機

人類最熟悉的宇宙發動機應當是火箭發動機，不過這種發動機的缺點是明顯的，化學燃料占據的體積和重量太大而推力太小，效率有限。科學家們覺得這種發動機太落后，所以想出了各種更先進的發動機。核動力發動機就是其一。

一、核裂變發動機

核動力是相當可行的一種方案。人類完全可以在10年內制造出核裂變動力火箭。如果采用核聚變的方式，則需要在受控核巨變方面取得進一步進展。核聚變動力火箭將比現在的化學動力火箭輕得多，即使使用比較慢的核能利用方式，也要比現代的化學動力火箭快一倍，它可以在3年內抵達土星，而不是現在的7年。由于燃料能持續更久，到達土星后還能有足夠的能量繼續旅行15年。而且，還有一種更直接的對核能的利用方式，可以獲得強大的推動力將巨大的重物送往其他行星，那需要一種非常瘋狂的方式。

對于核動力的利用方式有三種：

1．利用核反應堆的熱能；

2．直接利用來自反應堆的高能粒子；

3．利用核彈爆炸。

利用反應堆的熱量是最簡單也是最明顯的方式，核動力航空母艦和核潛艇都是利用核裂變反應堆的動力來推動螺旋槳。不過，太空沒有水或者空氣這種介質，不能采用螺旋槳而必須利用噴氣的方式。但方法仍很簡單，反應堆中核子的裂變或者聚變產生大量熱能，我們將推進劑(很可能采用液態氫)注入，推進劑會受熱迅速膨脹，然后從發動機尾部高速噴出，產生推力。

利用反應堆的熱量這種辦法雖然節省了燃料，但必須攜帶許多液體推進劑，獲得的好處沒剩多少。由于核反應的時候能夠產生許多高能粒子，所以第二種方式就是直接利用來自反應堆的粒子，從而不必攜帶推進劑。

這些高能粒子移動速度非常快，我們當初用反應堆加熱推進劑就是為了讓推進劑的熱運動速度增大從而獲得推力，而這里我們已經有了這樣的高速運動物質。而且這些高能粒子是離子態的，從而可以使用磁場來控制它們的噴射方向。

不過，這種發動機可不像前面介紹的那些那么容易制造，而且可能非常昂貴，有可能需要一個很大很重的反應裝置，或者—個利用多階段反應(后一個階段利用前一階段產物)的小一些的反應裝置。

第三種方式是一個大膽而瘋狂的方式，不再是利用受控的核反應，而是利用核爆炸來推動飛船，這已經不是一種發動機了，它被稱為核脈沖火箭。這種飛船將攜帶大量的低當量原子彈，一顆顆地拋在身后，然后引爆，飛船后面安裝一個推進盤，吸收爆炸的沖擊波推動飛船前進。

這種看似天方夜譚的方式卻是被美國政府實實在在考慮過的計劃，這個在1955年被以獵戶座計劃命名的項目，希望建造一個簡單、承載大、而且在資金上能夠建造得起的飛船。這個飛船的樣子像主教冠或者子彈頭，16層樓高，后面的推進盤直徑為41米多。發射臺包括八個發射塔，每個塔高76．2米。起飛飛船質量是1萬噸，和普通的化學火箭不同，這些質量中大部分都將進入軌道。飛船起飛時爆炸的原子彈當量為0．1千噸(注意，100噸TNT當量爆炸產生的推動力遠不只100噸)，每秒鐘就拋出一個。當飛船加快到一定速度后，將下降到每10秒爆炸一枚2萬噸當量的原子彈。起飛方式被設計為豎直向上飛行，而不是像普通化學火箭這樣到一定高度就傾斜飛行。這樣飛行的目的是把放射性污染集中到一個小區域內。最初計劃攜帶兩千顆原子彈。船上可以裝載150人，以及數千噸的載重，使得他們生活相對更加舒適。這種飛船可以建造得像戰列艦一樣，而不必像化學動力飛船那樣過分考慮重量。飛船上還將攜帶一些小的化學動力飛船，用于行星或者衛星上著陸并重新返回使用。

原子彈并非直接作用于推進盤上，在釋放出原子彈后，接著再釋放出一些由塑料制成的固體圓盤，當飛船駛出一定距離，原子彈將在飛船后面爆炸，蒸發掉塑料圓盤，將其轉化成高熱的等離子漿。由于塑料盤位于原子彈和飛船之間，等離子漿中相當部分將會追上飛船，撞擊太空飛船尾部巨大的金屬推進盤，從而推動太空飛船高速行駛。

美國科學家圍繞這個計劃做了許多實驗，證明這個計劃是可行的。1959年11月進行了一次100米高度的飛行，共爆炸6枚化學炸彈。這次實驗證明脈沖飛行是可以穩定進行的。

然而，這個設想卻有一個最大的弱點，那就是它依賴于原子彈爆炸做動力，當它飛出大氣層時，必將釋放出核輻射塵污染地球環境。這也正是這個計劃后來胎死腹中的原因之一。在1963年美蘇簽訂禁止大氣層核試驗條約之后，獵戶座計劃研究于1965年終止。

不過，這項計劃有其吸引人之處，它完全可以勝任以萬噸飛船再攜帶萬噸載重前往遠方行星的重任，按照當初的計劃，獵戶座太空飛船只需125天就能往返火星。而且現代的技術發展又為其提供了新的可能，中子彈可以以低輻射的方式來發射大量中子，對塑料盤產生作用；而最近對x射線激光的研究表明，可以用于將輻射集中于朝向飛船的方向，從而更加高效利用這些爆炸能量。

二、核聚變發動機

核裂變發動機在核心制造方面沒有太大的技術困難，但核聚變發動機則不同，首先需要解決受控核聚變的問題。我們目前的技術尚無法讓輕核在常溫下發生聚變，氫彈是用原子彈爆炸產生的高溫來解決問題，我們總不能在飛船內部爆炸原子彈吧。

解決聚變問題的主要思路有三種：

1)磁約束聚變，也被叫做持續性聚變。將核燃料變成數百萬度的高溫等離子漿，從而使原子核活躍到能相互碰撞。由于等離子是帶電的，所以可以用非常強大的磁場來束縛它們，否則，離子漿將融化任何束縛它們的容器。不過目前的技術還維持不了足夠的時間來使它們產生反應。

2)慣性約束聚變，也被稱作脈沖性聚變。利用激光或者粒子束來照射小燃料球產生超高溫，生成比磁約束聚變時密度高1萬億倍的離子漿，從而產生聚變。南于這種反應時間非常快，不需要強磁場束縛它們，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應。

3)μ介子催化聚變。μ介子是一種帶負電、質量為電子207倍的基本粒子，壽命220微秒。由于它的質量比電子大許多，所以能夠同原子核更接近，而它帶的負電可以屏蔽原子核的正電，使得原子核之間的斥力減小，能夠更接近，這樣，就不需要嚴格的超高溫或者體積限制。不過這種方式在目前的技術上還難以突破，很難讓μ介子進入原子核周圍的軌道，而且它的壽命太短暫，所以以它為催化劑的聚變必須非常快，此外，目前制造μ介子的代價也過于昂貴。

目前受控核聚變還是可以進行的，它完全可以在太空旅行中首先使用。那么，就考慮一下這三種方式的前景吧：

1)磁約束聚變發動機。磁約束聚變有可能是發電的最佳方式，但在宇航方面很可能就不理想了，倒不是因為我們必須發明離子漿方向控制系統，而是因為必須安裝一個磁場產生裝置，而且可能還很大，而且這種方式下的離子漿密度低，意味著必須發動機必須造得很大。

2)慣性約束聚變發動機。和獵戶座計劃一樣，這個方案是直接利用核爆炸，但這個方案是在船體內部爆炸，在尾部推進艙內使用激光或者粒子束來引爆小燃料球，每秒要引爆30到250個。在宇宙的真空中使用粒子束比地球上具有更明顯的好處，不受大氣分子的干擾。相對來說，這個方案是最可行的，不過，很顯然這種方式也要安裝別的設施，比如激光器或者粒子束發生器，并且需要給它們提供能量，盡管這個方案很可能比磁約束聚變發動機要輕。

也有一些規避方案，比如：

把激光器安在地球軌道上，然后飛船用一個很輕的光學系統來收集照射過來的激光并用于引爆，這樣可以讓飛船飛得很快，大概60天就能來回土星，不過這個主意并不怎么好；

使用高聚能物質替代激光，像原子彈里化學炸藥的沖力引爆核燃料一樣來引發聚變；

使用動態啟動器來替代激光，可以把高聚能物質的作用想象成一個高速大錘，不過能否真達到足夠的速度讓人懷疑；

一個大膽的建議是從地球軌道上高速發射小燃料球，然后飛船發射東西高速撞擊它們以引爆，但很顯然，這個對接難度太大了。

最后我們還可以利用反物質反應和核聚變結合，用湮滅來引發聚變，這樣，我們可以用很輕的發動機系統來獲得高效率。不過反物質的麻煩也很多。

3)μ介子催化聚變發動機。由于μ介子壽命極短，這意味著必須在飛船上安裝μ介子制造器，從而，增加的重量把不需要磁場產生裝置和激光器的好處都抵消掉了。而且以目前的技術制造μ介子需要的能量太大，有這能量還不如直接發動飛船。

不論使用什么方式，都需要發明一個磁場限制裝置來保護飛船的噴口，否則高熱的離子會很快把噴口熔掉。

有趣的是，英國也有一個類似的獵戶座計劃，它就是英國的代達羅斯計劃。

英國星際學會在上世紀70年代提出代達羅斯計劃，只不過以更強大而且環保效果好一些的聚變力量代替原子彈。

這個項目不像獵戶座那樣在外部爆炸，而是內部的發動機，在一個磁場構筑的“燃燒室”中，向小燃料球照射發射電子束，產生離子。用磁場限制離子漿的辦法將比獵戶座計劃更高效，因為獵戶座計劃中原子彈的大部分爆炸能量都沒投射到船體上轉化為動力。

飛船的質量為54萬噸，其中推進裝置重量是5萬噸，預計經過持續4年的加速后，可以達到光速的1／8。

總的來說，核裂變發動機是相當現實的東西，而核聚變發動機則基本偏向科幻，需要很多技術突破才能變成現實。但裂變材料很稀缺，而用于核聚變的氘和氚卻很多，在近處的月球上尤其豐富。此外，核聚變還有大幅度降低輻射污染的前景，雖然反應困難而且產生的能量小，但不產生γ射線和中子，只產生α粒子，可以說是相當干凈的反應。所以人們對核聚變發動機仍舊存在更大的期望。