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財年的預算中提出了一個被稱為敏捷月球操作演示驗證（DRACO）的計劃，此前這個項目叫做“火箭核反應堆（ROAR）”，這標志著美國準備重啟核動力火箭的研究計劃。

回顧往昔，我們可以發現，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，設想了一種巨大的核火箭。它長得有點像德國的V-2導彈，不過體積要大得多。這枚火箭的設計者，就是丁丁的好朋友、科學怪才卡爾庫魯斯教授。登月火箭的原理也很硬核：讓原子彈在火箭發動機里不斷爆炸，用產生的沖擊波來推動火箭飛行！

這樣的想法到現在都還不可能實現，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，就輪到科學家們實操了。

冷戰開始后不久，美國和蘇聯就展開了太空競賽。蘇聯先后在第一顆人造衛星、第一艘載人飛船方面取得領先。美國大受刺激，1961年，時任美國總統約翰·肯尼迪在國會發表講話，宣布在60年代末結束之前要“將一個人送上月球并安全返回地球”的國家目標。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，建立天空實驗室計劃，并在1975年實現了美蘇飛船對接。

為了發射登月飛船，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家組成的，他們的目標還是深空里的科學探索。就在月球著陸計劃進行之際，美國宇航局將目光投向了火星和更遠的地方。但在這樣的任務背景下，化學燃料火箭的弱點顯露無疑。化學燃料發動機產生的能量相對較小，使得科學家們必須精確選擇行星的相互位置，瞄準“發射窗口”，用行星的引力來提供重力彈弓效應，幫助飛船在太空中更省力地飛行。此外，化學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。在火星任務的背景下，土星五號的尺寸和運載能力還是不夠的。

▲ 《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，就可以克服化學燃料火箭的這些缺點。核火箭比化學火箭更省燃料、更輕，飛行速度可以達到化學火箭的兩倍。根據科學家們當時的計算，核火箭可以在4個月內到達火星，在3年內到達土星而用化學火箭抵達土星則需要7年。

▲ 土星五號運載火箭發射升空

▲ 俄羅斯 ToryII-A核動力發動機

▲ 美國B-29轟炸機

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的結束。在大約四年的時間里，只有美國擁有核武器。到了1949年，蘇聯成功地試驗了自己的核彈，揭開了兩強核競賽的序幕。

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

▲ 肯尼迪參觀核火箭開發中心

▲ 蘇聯也曾經研制過核動力火箭發動機，并且制造了樣機

▲ 土星五號火箭第二級和第三級使用了高比沖的J-2液氧液氫發動機

▲ 在洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行獼猴桃-A反應堆試驗

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

“漫游者計劃”項目

早在1942年，美國原子能科學創始人恩里科·費米和他的同事進行了第一次成功的裂變反應堆試驗后不久，就有人提出了核動力火箭的想法。1944年，芝加哥大學冶金實驗室和洛斯阿拉莫斯的科學家開始討論使用裂變反應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。這些科學家發表了幾篇報告，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驗室，對核動力火箭開展了秘密、小規模研究。直到1954年，橡樹嶺實驗室（現橡樹嶺國家實驗室）的羅伯特·布薩德發表了一份關于幾種核動力火箭應用的詳細工程研究報告，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實驗室、利弗莫爾·勞倫斯輻射實驗室（現為勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室）等機構對核動力火箭性能進行了更多的理論研究。

▲ 由核動力火箭驅動的飛船想像圖

▲ 1967年5月，研究人員對獼猴桃B-1發動機進行檢測，準備將它安裝到B-3試驗臺上進行測試

1955年初，洛斯阿拉莫斯在一份現已解密的報告中總結了它對洲際彈道導彈采用核動力的研究。報告提出了核動力火箭的性能優勢，為該領域的材料研究爭取到了支持。這份報告和勞倫斯·利弗莫爾實驗室提供的類似信息表明，這兩個實驗室當時已經開展了正式的核動力火箭反應堆工作。

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

1956年，勞倫斯·利弗莫爾實驗室轉而開展核沖壓發動機的研究，洛斯阿拉莫斯實驗室繼續在“漫游者計劃”下開發火箭。

然而，核武器技術也在不斷發展。隨著原子武器變得越來越小和輕，化學燃料火箭已經完全能夠承擔其投擲核武器的任務。1957年，美國空軍表示，核火箭不再具有任何軍事價值，并建議將其轉向空間應用。