核動力火箭概念的由來

文/ 松堂

2020年2月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在2021財年的預(yù)算中提出了一個被稱為敏捷月球操作演示驗(yàn)證（DRACO）的計劃，此前這個項(xiàng)目叫做“火箭核反應(yīng)堆（ROAR）”，這標(biāo)志著美國準(zhǔn)備重啟核動力火箭的研究計劃。

回顧往昔，我們可以發(fā)現(xiàn)，核火箭與軍事活動是密不可分的。

早在1953年，比利時畫家埃爾熱就在著名的系列漫畫《丁丁歷險記之奔向月球》中，設(shè)想了一種巨大的核火箭。它長得有點(diǎn)像德國的V-2導(dǎo)彈，不過體積要大得多。這枚火箭的設(shè)計者，就是丁丁的好朋友、科學(xué)怪才卡爾庫魯斯教授。登月火箭的原理也很硬核：讓原子彈在火箭發(fā)動機(jī)里不斷爆炸，用產(chǎn)生的沖擊波來推動火箭飛行！

這樣的想法到現(xiàn)在都還不可能實(shí)現(xiàn)，不過埃爾熱的這部作品為人們打開了兩個思路：去月球上探險、用核能推動火箭。接下來，就輪到科學(xué)家們實(shí)操了。

冷戰(zhàn)開始后不久，美國和蘇聯(lián)就展開了太空競賽。蘇聯(lián)先后在第一顆人造衛(wèi)星、第一艘載人飛船方面取得領(lǐng)先。美國大受刺激，1961年，時任美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪在國會發(fā)表講話，宣布在60年代末結(jié)束之前要“將一個人送上月球并安全返回地球”的國家目標(biāo)。在他的決策之下，從1961年到1975年，美國宇航局利用阿波羅飛船和土星五號火箭探索月球，建立天空實(shí)驗(yàn)室計劃，并在1975年實(shí)現(xiàn)了美蘇飛船對接。

為了發(fā)射登月飛船，美國宇航局主持研制了巨大的土星五號火箭，讓其成為了迄今為止唯一一種成功把人類送上月球的火箭。美國宇航局先后成功發(fā)射了13枚土星五號火箭，沒有人員和有效載荷損失，是工程史上的奇跡。

雖然美蘇競爭成就了美國宇航局和阿波羅計劃，但美國宇航局畢竟是由科學(xué)家組成的，他們的目標(biāo)還是深空里的科學(xué)探索。就在月球著陸計劃進(jìn)行之際，美國宇航局將目光投向了火星和更遠(yuǎn)的地方。但在這樣的任務(wù)背景下，化學(xué)燃料火箭的弱點(diǎn)顯露無疑。化學(xué)燃料發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的能量相對較小，使得科學(xué)家們必須精確選擇行星的相互位置，瞄準(zhǔn)“發(fā)射窗口”，用行星的引力來提供重力彈弓效應(yīng)，幫助飛船在太空中更省力地飛行。此外，化學(xué)火箭的速度相對比較慢，如果前往火星，就要消耗太長的時間，讓航天員們在宇宙中遭受更長時間的有害輻射。在火星任務(wù)的背景下，土星五號的尺寸和運(yùn)載能力還是不夠的。

▲ 《丁丁歷險記之奔向月球》封面

如果能夠采用核動力來推動火箭飛行，就可以克服化學(xué)燃料火箭的這些缺點(diǎn)。核火箭比化學(xué)火箭更省燃料、更輕，飛行速度可以達(dá)到化學(xué)火箭的兩倍。根據(jù)科學(xué)家們當(dāng)時的計算，核火箭可以在4個月內(nèi)到達(dá)火星，在3年內(nèi)到達(dá)土星而用化學(xué)火箭抵達(dá)土星則需要7年。

▲ 土星五號運(yùn)載火箭發(fā)射升空

▲ 俄羅斯 ToryII-A核動力發(fā)動機(jī)

▲ 美國B-29轟炸機(jī)

那么，美國宇航局就是第一個嘗試核火箭的單位了嗎？并不是。

原子時代的火箭

第一個嘗試核火箭的其實(shí)是美國空軍。它對核火箭的興趣，最早并不是來源于探月，而是來自于核武器本身。

1945年，美國在日本上空引爆兩枚原子武器，從而迎來了原子時代，加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。在大約四年的時間里，只有美國擁有核武器。到了1949年，蘇聯(lián)成功地試驗(yàn)了自己的核彈，揭開了兩強(qiáng)核競賽的序幕。

早期原子武器的主要問題之一是怎么把它運(yùn)到敵國上空再扔下去。早期的原子武器重約5噸，當(dāng)時最大的轟炸機(jī)也沒有能力帶著它們飛越大洋。事實(shí)上，美國用于轟炸廣島和長崎的B-29轟炸機(jī)是從提尼安島起飛的，抵達(dá)廣島和長崎都只需要飛行2500多公里。這個距離聽起來挺遠(yuǎn)，但是要從美國本土轟炸蘇聯(lián)，所需要飛過的航程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么一點(diǎn)。

▲ 肯尼迪參觀核火箭開發(fā)中心

▲ 蘇聯(lián)也曾經(jīng)研制過核動力火箭發(fā)動機(jī)，并且制造了樣機(jī)

▲ 土星五號火箭第二級和第三級使用了高比沖的J-2液氧液氫發(fā)動機(jī)

▲ 在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行獼猴桃-A反應(yīng)堆試驗(yàn)

為了解決洲際戰(zhàn)略轟炸的核武器運(yùn)載問題，美國開始發(fā)展重型、遠(yuǎn)程武器運(yùn)載系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括戰(zhàn)略轟炸機(jī)，如Convair B-36“和平制造者”，陸基火箭和核動力飛機(jī)。這些系統(tǒng)各具特色，當(dāng)時的美國正處于黃金時代，國力強(qiáng)盛、資金充裕，因此上層打算同步發(fā)展所有技術(shù)選擇。洲際導(dǎo)彈的反應(yīng)速度快、打擊過程短（大約30分鐘）、打擊精度高，是首要選擇。但使用洲際導(dǎo)彈缺乏彈性，發(fā)射就是開戰(zhàn)。轟炸機(jī)則比較靈活，讓轟炸機(jī)帶著核武器起飛，就起到了重大的威懾作用。如果雙方?jīng)Q定緩和局面，還可以把轟炸機(jī)召喚回來，所以飛機(jī)也有自己的優(yōu)勢。不過飛機(jī)只能在空中飛行有限的時間，如果雙方僵持不下，飛機(jī)就只能返航加油。因此到了60年代，美國科學(xué)家提出了核沖壓發(fā)動機(jī)，希望能制造超級強(qiáng)大的導(dǎo)彈，把好幾噸重的核彈頭投射到蘇聯(lián)國土上。

“漫游者計劃”項(xiàng)目

早在1942年，美國原子能科學(xué)創(chuàng)始人恩里科·費(fèi)米和他的同事進(jìn)行了第一次成功的裂變反應(yīng)堆試驗(yàn)后不久，就有人提出了核動力火箭的想法。1944年，芝加哥大學(xué)冶金實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯的科學(xué)家開始討論使用裂變反應(yīng)堆將氣體加熱到高溫并推動火箭的可能性，這是“核熱”火箭背后的基本理念。這些科學(xué)家發(fā)表了幾篇報告，探討了這種火箭的潛力。

這些報告引起了美國空軍的注意。1947年－1949年，空軍資助了田納西州橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室，對核動力火箭開展了秘密、小規(guī)模研究。直到1954年，橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室）的羅伯特·布薩德發(fā)表了一份關(guān)于幾種核動力火箭應(yīng)用的詳細(xì)工程研究報告，人們對核火箭的興趣才逐漸濃厚起來。美國空軍委托洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、利弗莫爾·勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)為勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室）等機(jī)構(gòu)對核動力火箭性能進(jìn)行了更多的理論研究。

▲ 由核動力火箭驅(qū)動的飛船想像圖

▲ 1967年5月，研究人員對獼猴桃B-1發(fā)動機(jī)進(jìn)行檢測，準(zhǔn)備將它安裝到B-3試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試

1955年初，洛斯阿拉莫斯在一份現(xiàn)已解密的報告中總結(jié)了它對洲際彈道導(dǎo)彈采用核動力的研究。報告提出了核動力火箭的性能優(yōu)勢，為該領(lǐng)域的材料研究爭取到了支持。這份報告和勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室提供的類似信息表明，這兩個實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時已經(jīng)開展了正式的核動力火箭反應(yīng)堆工作。

從1955年到1972年，洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（后來升格為國家實(shí)驗(yàn)室）開展了“漫游者計劃”，其目標(biāo)是開發(fā)用于宇宙空間飛行的核動力火箭技術(shù)。這個計劃的總體探測器項(xiàng)目是美國宇航局太空探索計劃的一部分。核反應(yīng)堆則歸美國原子能委員會（AEC）管轄。

1956年，勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)而開展核沖壓發(fā)動機(jī)的研究，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)在“漫游者計劃”下開發(fā)火箭。

然而，核武器技術(shù)也在不斷發(fā)展。隨著原子武器變得越來越小和輕，化學(xué)燃料火箭已經(jīng)完全能夠承擔(dān)其投擲核武器的任務(wù)。1957年，美國空軍表示，核火箭不再具有任何軍事價值，并建議將其轉(zhuǎn)向空間應(yīng)用。