奔赴火星

楊孝文

第一個踏上火星土地的宇航員乘坐的飛船所使用的火箭不會是曾將“阿波羅11”號飛船送上月球的化學燃料火箭，而是更為先進的核動力火箭。化學燃料火箭無法提供足夠的推進力，導致宇航員在抵達火星前不得不忍受幾個月的危險太空輻射。為此，美國航空航天局將目光轉向長期被忽視的核熱火箭技術，用于將首批火星探險家送上這顆紅色星球。

并非新技術

核熱火箭并不是一項新技術。1942年，也就是在恩里科·費米成功進行核裂變反應堆實驗之后，研究人員就開始討論利用核動力驅動火箭和飛機的前景。1944年，芝加哥大學冶金學實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究小組打造了一個早期的核熱設計，利用裂變反應堆加熱氫氣，然后讓氫氣穿過一個小噴口，產生推進力。核燃料的能量密度大約是化學燃料的10⁷倍，采用這種燃料的火箭重量只有化學燃料火箭的1/2壽右。核熱火箭能夠讓負荷和燃料的比率從1：1提升到7：1，尤其是在作為上級火箭的時候。這一設計吸引了美國空軍的目光。1947年和1949年，空軍方面在橡樹嶺國家實驗室進行了一系列秘密測試。

核熱技術的研發一度沉寂了幾年時間。1955年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開始研發核動力洲際彈道導彈，1956年又開始研制核動力沖壓式噴氣發動機。1957年，美國空軍認為核熱技術并不適合軍隊，建議進行非核方面的研發。空軍的研發計劃被稱為“漫游者”計劃，后來移交給新成立的美國航空航天局。

“漫游者”計劃1955年啟動，1972年終結。1961年，這項計劃進展快速并取得巨大成功，促使馬歇爾太空飛行中心申請在1964年之前進行反應堆飛行測試。這是一項具有里程碑意義的進展，讓研究人員看到了建造和發射最終樣機的希望。為了響應馬歇爾太空飛行中心的請求，美國政府在1961年成立了航天核推進局，負責對研發工作進行監督和規劃，同時與美國航空航天局和原子能委員會展開合作。美國航空航天局關注的是飛行系統和發動機設計，原子能委員會致力于研發反應堆技術。航天核推進局的第一任局長H.B.哈里·芬格做出推遲發射的決定，要求對發動機做飛行測試前必須進行一系列嚴格的性能測試。

打造多種設計

美國航空航天局啟動了核火箭發動機應用計劃，旨在研制一種可用于太空探索的核熱星際飛船發動機。在17年時間里，這項計劃研發了超過20種截然不同的火箭設計，其中包括1955年-1964年的早期設計——“幾維”，1964年-1969年的“太陽神”以及1970年-1971年測試的“山鷸”。“幾維”并非為了飛行測試設計，“太陽神”的體積更大，處在設計的中間階段，所有這些設計最后都被“核熔爐”設計取代。“幾維”的另一個派生設計“核火箭實驗”系列1964年開始測試，1968年結束。

每個設計都有兩個核反應堆，在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的帕哈利托基地建造，其中一個反應堆用于進行零功率臨界實驗。實驗中，反應堆在極低溫度環境下進行持續裂變，所產生的熱效應可以忽略不計。另一個用于全功率測試，在偏遠的內華達州試驗場進行。之所以選在這個試驗場是因為一旦測試的發動機發生爆炸，核物質將被噴射到周邊地區，造成污染。洛斯阿拉莫斯國家實驗室名為“西格馬”的設施負責生產钚-238。钚-238是钚-239的“非裂變兄弟”，轟炸日本的原子彈使用的就是钚-239。

第一代“幾維”的第一次測試在1959年中期進行。“幾維”由一系列無涂層氧化鈾盤構成，浸泡在液體氫中。這是一種非常簡單的核發動機，但卻能夠產生70兆瓦電量和2683K的溫度。第二代“幾維B”用氧化鈾小球代替鈾盤，懸浮在一個石墨柵陣中，上面有碳化鈮涂層，液態氫穿過這些小球產生排氣。早期的“幾維”設計存在一些缺陷，在整個項目結束時也沒有得到徹底解決。其中一個缺陷是發動機強烈震動并發出咔嗒聲，足以導致燃料束破裂，變成廢物。此外，由于溫度過高，超熱液態氫腐蝕反應堆內壁。

測試中出現安全殼破損將釀成災難，是一個必須考慮的危險因素。這種破損可由軌道器撞擊地面、裂變失控或者設計缺陷導致，能形成可怕的“輻射雨”，對地表大面積區域造成核污染。1965年，研究人員在內華達州試驗場杰卡斯平地中部地區炸毀了“幾維”反應堆。爆炸產生的輻射塵殺死了方圓約200米內的一切生物，遭受污染的區域達到約600米。輻射塵的數量取決于核發動機采用的燃料類型，固態燃料棒和碳柵陣中的小球所產生的輻射波及范圍遠低于氣態或者液態燃料。

NRX系列取得成功

在研制“幾維”5年后，美國航空航天局開始將目光投向體積更大的發動機——“太陽神”系列。這種火箭的最初測試在1959年進行，持續了10分鐘，產生了1064兆瓦電量和2370K的溫度。1967年進行的測試持續了30分鐘，產生了1500兆瓦電量。“太陽神-2A”曾在短短12分鐘內產生4000兆瓦電量，成為當時世界上制造的功率最大的核反應堆。4000兆瓦電量相當于切爾諾貝利核電站的總發電量，可滿足300萬家庭的用電需求。

500兆瓦的“山鷸”是在最初的“幾維”設計基礎上研制的，用于測試新的碳化鋯涂層，取代最初的碳化鈮。“山鷸2”的堆芯設計將燃料導致的腐蝕風險降到1/3。在研制“山鷸”的同時，美國航空航天局還在測試一種截然不同的火箭設計，利用水進行冷卻，被稱為“核熔爐-1”。

“幾維”的另一個派生設計“核火箭實驗”系列于1964年開始測試，后進化成NERVA NRX/XE，并且一度接近于做好試飛準備。1968年，航天核推進局對XE進行了28次測試，測試在低壓艙內完成，用以模擬太空真空環境。每次測試中，XE都能產生超過1100兆瓦的電量以及約3.4萬千克的推進力。這是航天核推進局要求馬歇爾太空飛行中心必須滿足的功率基線，否則不準進行反應堆飛行測試，更不用說使用這種發動機將宇航員送上火星。測試過程中，發動機運行時間超過2小時，其中有28分鐘的滿功率運轉。通常情況下，只有在燃燒完所有17千克燃料之后，測試人員才讓發動機停下來。

XE的成功以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室在材料方面取得的進步讓科學家看到了核動力火箭的巨大發展潛力。一些科學家希望用這種火箭取代土星I及土星IV的第二級和第四級的J-2助推器，其他人則希望將其作為“太空拖拉機”，用于將航天器從地球低軌道拖人更高的軌道，例如月球軌道或者更遠的軌道。不幸的是，所有這些想法最后都只停留在圖板上，因為整個計劃在1972年被取消。

滿足深空探索需要

迄今，美國已經成功將人類送上月球。阿波羅時代后，美國又進入航天飛機時代。核技術遭到很多公眾的反對，利用核熱火箭實施載人火星任務在預算上將是一個驚人數字，所有這些都讓美國國會不得不謹慎對待。如果放棄載人火星任務，美國政府就沒有任何有說服力的理由研制核熱火箭。因此，盡管滿足了除重啟60次和持續運轉10小時以外的所有測試指標，漫游者/核火箭發動機應用計劃最后還是被取消。

漫游者，核火箭發動機應用計劃的所有火箭都使用钚-238，這是一種非裂變同位素，半衰期為88年。由于半衰期較短，從天然形成的钚中分離出這種特定的同位素難度較大。通常情況下，利用伯克萊實驗室的格倫·西博格和埃德溫·麥克米倫于1940年研發的方式合成钚-238，即利用氘核轟擊鈾-238。對于深空探索來說，钚-238無疑是一個昂貴的日用品。進入深空后，太陽能電池板便失去了原有的作用。美國航空航天局的放射性同位素熱電發生器也采用钚-238，為絕大多數深空探索任務提供能量。钚的導電性很差，衰變產生大量熱量，驅動放射性同位素熱電發生器時會產生阿爾法粒子輻射。著名的“旅行者”號飛船、“卡西尼”號飛船、“好奇”號火星車以及“新地平線”號探測器都依賴于核能執行探索任務。

三種堆芯

固態堆芯。最簡單的堆芯設計利用固態燃料（例如“幾維”和“太陽神”采用的盤和小球）加熱液態氫氣，產生熱量和推進力。由于受到反應堆安全殼熔點的限制，這種設計產生的溫度在22K～300K之間。在使用液態氫推進燃料的情況下，固態堆芯在850秒～1000秒內產生的推動力是航天飛機主發動機的2倍。

液態堆芯。如果不將核燃料放入石墨柵陣，而是把燃料球直接與液態氫混合在一起，最后制造出的液態堆芯發動機可以產生超過核燃料熔點的溫度——至少理論上如此。沒有人制造出液態堆芯發動機。將放射性燃料注入發動機的同時，允許工作流體存在是一項巨大挑戰，不過，與球形燃料反應堆類似的旋轉式設計可以利用向心力將二者分離，這讓研究人員看到了希望。

氣態堆芯。研制氣態堆芯反應堆的難度甚至超過液態堆芯，需要讓氫氣蒸汽環繞一個旋轉的“鈾氣囊”。由于燃料不與吸熱堆芯室壁接觸，溫度可以達到數萬K，在3000秒～5000秒內產生30千牛-50千牛的推進力。

面臨燃料短缺

在擱置了幾十年后，美國航空航天局和俄羅斯聯邦航天局（在冷戰期間研制了很多核熱火箭，但從未對自己的設計進行實際測試）于2012年4月宣布，他們將重新研發核發動機火箭技術，同時展開一項投資6億美元的聯合發動機研制計劃，法國、英國、德國、中國和日本也可能參與其中。

馬歇爾太空飛行中心正在研制自己的核低溫推進級，作為未來太空發射系統的一部分。這個上級將由液態氫燃料進行超冷卻，在安全離開大氣層后啟動裂變反應。不過，由于自美國航空航天局最后一次測試核熱火箭技術之后地面核試驗被全面禁止，研究人員不得不借助馬歇爾太空飛行中心的核熱火箭元素環境模擬器進行研究。這個模擬器可以精確模擬核熱火箭發動機各組件之間的交互作用，允許火箭學家在不產生輻射塵的情況下對設計進行改進。美國航空航天局研究員、核熱火箭元素環境模擬器管理人員比爾·伊默里奇表示：“我們利用這個測試設施獲取的信息能夠防止工程師的設計存在缺陷，提高燃料元件和核推進系統的效率。我們希望能夠在不久的將來研制出一個可靠的，并且具有成本效益的核火箭發動機。”

在研發這一革命性的發動機技術過程中，美國航空航天局面臨著燃料短缺問題。自20世紀80年代以來，美國便從未生產過钚-238。據估計，美國現存的钚-238將在這個10年結束前耗光。美國航空航天局宣布美國能源部將在2017年再次生產钚-238。能源部太空與防御動力系統負責人瓦德·卡羅爾在2012年3月舉行的核與新興空間技術會議上表示：“我們將重新開始生產钚。在獲得新钚前，我們可能需要等待5年或者6年時間。”能源部計劃每年生產1400克-1800克钚，足以滿足機器人行星探索任務的需要。我們現在需要的就是研制行星際飛船。