核動力火箭項目的成果

文/ 松堂

雖然由于預算消減和重點轉移等一系列原因，美國早期的核動力火箭研究項目最終被取消，但是這個項目本身還是取得了豐碩的成果。

“漫游者計劃”

“漫游者計劃”項目包括3個主要階段：“獼猴桃”（1955年至1964年）、“菲布斯”（1964年至1969年）和“佩維”（1969年至1972年年底項目取消）。計劃中的核反應堆是在洛斯阿拉莫斯的帕賈里托基地組裝的。實際上，工程師們為每臺發動機建造了兩個反應堆，一個用于在洛斯阿拉莫斯進行的“零功率臨界”試驗，另一個用于在前內華達州沙漠試驗場（現內華達州國家安全試驗場）進行全功率試驗。發動機的燃料和內部發動機部件是在洛斯阿拉莫斯的西格瑪工廠制造的。

后來擔任國家核安全局核試驗辦公室主任的羅伯特·漢拉漢曾經參與了“漫游者計劃”，從他為媒體提供的檔案照片上看，獼猴桃-A和菲布斯-1核反應堆的體積都相當緊湊，放在家里取暖顯然是太大了，但是裝進重型火箭里肯定是沒問題的。菲布斯-1核反應堆現在位于內華達州拉斯維加斯的原子能測試博物館內。

核動力火箭發動機

1961年，美國宇航局和原子能委員會開始了第二個核火箭項目，名為NERVA，意思就是“核動力火箭發動機”，利用科學家在設計、建造和測試探測器研究項目反應堆時獲得的知識，來開發實用的火箭發動機，使其能夠經受住航天發射的沖擊和振動。從1964年到1969年，西屋電氣公司和阿羅杰特-通用公司團隊在NERVA項目下分別建造了幾種反應堆和火箭發動機。

▲ NERVA核動力發動機

▲ 技術人員在J-1試驗臺檢查實驗用銅噴管，以研究核火箭噴管的傳熱特性

▲ 獼猴桃-A原子反應堆

1969年，NERVA項目所取得的進展和成功讓沃納·馮·布勞恩大感欣慰。這位當時擔任美國宇航局米歇爾航天飛行中心主任的德國人提出了自己的狂想：用兩枚火箭發射飛船，向火星著陸12名考察隊員，每枚火箭由3臺NERVA發動機驅動。按照他的計算，如果火箭在1981年11月發射，1982年8月就能登陸火星。

盡管這次任務并沒有真的實施，但在此期間的測試發現，NERVA核動力火箭發動機幾乎符合美國宇航局的所有規范要求，包括推力、推重比、比沖、發動機重啟能力和發動機壽命。到1972年，當“漫游者”/NERVA項目被取消時，唯一沒有完成的測試項目就只剩下重啟60次且總共運行10小時。

而且，項目中有一臺發動機的性能超過了NERVA的任務要求。洛斯阿拉莫斯國家實驗室設計、制造和測試的菲布斯S-2A發動機可產生高達4000兆瓦的熱功率，是當時最強大的核推進反應堆。

核熱反應堆

▲ 在B-1試驗臺安裝獼猴桃B-1B核發動機，以研究其在初始啟動階段的性能(1963-11-4).

在“漫游者計劃”/NERVA項目期間，科學家們對核動力火箭發動機進行了22次大型試驗。其中許多試驗探索了用反應堆驅動火箭出現復雜問題時的潛在解決方案。為了生產出實用的火箭，必須解決材料穩定性、相容性和腐蝕性方面的重大問題，這比在地球上運行的核反應堆復雜多了。

空間推進和地面核電站的反應堆，其間的主要區別是堆芯的溫度。在核動力火箭反應堆中，溫度必須盡可能高才能達到最佳性能。因此，“獼猴桃A”試驗的堆芯溫度高達2683開爾文（開爾文是絕對溫標，把攝氏溫度減去273.15就得到了以開爾文計量的溫度），而核電站用壓水堆的堆芯溫度僅為600開爾文左右。

核動力火箭反應堆和核電站反應堆的一個主要區別是冷卻系統的工作介質。核火箭使用氫，而發電廠用水。氫是核動力火箭最好的推進劑氣體，然而，在如此高的溫度下使用氫氣帶來了許多挑戰。

▲ 獼猴桃火箭發動機剖面圖

▲ 獼猴桃核反應堆電源在內華達沙漠被故意破壞，以模擬發射失敗的影響

▲ 在測試單元中的獼猴桃發動機

▲ 制造車間的技術人員在真空爐中檢測獼猴桃B-1噴管，以便在B-1試驗臺上進行試驗

堆芯最重要

所有的“漫游者計劃”/NERVA項目反應堆都有堆芯。研究人員為核動力火箭推進設計了液冷和氣冷兩種反應堆，甚至對這些設計的部件進行了小規模試驗，但只建造了核反應堆堆芯的固體部分。很少有材料能夠在核動力火箭反應堆的堆芯溫度下保持固態。從結構上講，一些具有高熔點的金屬和陶瓷（所謂的“難熔”材料）可以用來建造堆芯，但到底選擇什么材料，取決于它們與中子的相互作用。

▲ 在這個三級核火箭中，航天員將被安置在上面一級，用屏蔽隔板將他們與發動機隔開

例如，鎢作為熔點最高的金屬，在3695開爾文時會強烈吸收中子，特別是“慢”中子，其能量遠小于一個電子伏。因此“漫游者計劃”項目的堆芯使用鎢作為燃料基材。然而，鎢材料的加工技術在當時還不夠成熟，超出了該計劃的范疇。因此，“漫游者計劃”計劃將重點轉向石墨核反應堆。

石墨是碳的結晶形式，在高溫下表現良好，因為它是所有元素中熔點最高的。石墨不僅能在高溫下保持其強度，而且實際上強度會更大。石墨長期以來一直被用于各種高溫工業應用。因此，科學家開始考慮將其用于“漫游者計劃”的反應堆。

▲ NERVA 核動力火箭發動機點火

世界上第一個裂變反應堆和許多后繼的反應堆都是用石墨磚作為堆芯的，鈾棒分散地插進堆芯。石墨具有良好的中子學性質，是良好的弱中子吸收體、良好的中子反射體和慢化劑。然而，普通的石墨反應堆永遠不會遇到核火箭那種極端條件。把石墨堆裝進火箭會發生什么事情，人們當時不得而知。

科學家們很早就懷疑，石墨在用于核動力火箭反應堆時可能會造成嚴重的問題。因為這種火箭最好的推進劑氣體是氫。在“漫游者計劃”項目的發動機中，大量的氫從儲罐中噴射出來，經過一些反應堆部件，然后以很高的壓力通過反應堆堆芯內核燃料棒之間的通道。這一過程讓氫達到很高的溫度，迅速腐蝕了反應堆中的石墨。

為了防止石墨被腐蝕，科學家在氫管道的內表面涂上了一層薄的碳化鈮（NbC）薄膜。

任務取消

▲ NERVA當年的控制室

▲ F站曾用來研究核火箭發動機熱交換器

▲ 1967年初，菲布斯1B型核動力火箭發動機被移至試驗場

美國航天局對NERVA的計劃，包括1979年訪問火星、1981年建立永久性月球基地。NERVA火箭將作為核動力“拖船”，用于將有效載荷從低地球軌道轉移到更高、更遠的軌道，此后將作為空間運輸系統的一部分而存在。NERVA火箭還將用來改造土星火箭，替換原來的化學燃料發動機，這樣就能夠向低地球軌道發射154噸的有效載荷。

事實上，“漫游者計劃”項目取得的成果遠不止前面所列舉的這些，但是在1973年，“漫游者計劃”/NERVA項目被取消了。盡管這個項目本身非常成功，但后來阿波羅的載人航天任務幾乎被砍光了。美國國會認為，載人火星任務成本太高，為這一項目提供資金，將迫使美蘇之間繼續開展代價高昂的“太空競賽”，這是美國無法承受的。其實，當NERVA被取消時，NERVA-2已經達到了任務的所有目標，有兩臺發動機已經裝進了火箭，但核動力火箭再也沒有得到運送航天員執行太空任務的機會。

在研制當中，“漫游者計劃”/NERVA取得了以下記錄：

4500兆瓦的熱功率；

3311開爾文排氣溫度；

113千牛推力；

850秒比沖；

90分鐘的燃燒時間；

推力重量比為3:4。

除了證明核空間推進的可行性之外，“漫游者計劃”/NERVA項目人員還發表了大約100篇技術論文，涉及石墨、石墨粉和其他形式的碳特性。該計劃還產生了幾個重要的副產品，包括室溫石墨制造工藝和用金屬碳化物薄膜覆蓋石墨的方法。

此外，用熱解石墨包覆碳化鈾粒子的技術最終導致了現在用于商業高溫氣冷反應堆發電的TRISO燃料球。然而，該計劃最重要的附帶產品是熱管。

熱管目前是洛斯阿拉莫斯研究計劃的核心之一，稱為熱管動力系統（HPS）反應堆，利用熱管將堆芯的熱量傳遞給熱電元件或熱機。