為核動力火箭項目“續(xù)命”

文/ 遲惑

核火箭的問題在于核燃料的放射性及給航天員、科學儀器帶來的危害。正因為這些問題尚未解決，核火箭至今沒有成為現實。但是隨著材料和工藝的進步，特別是幾十年來核反應堆在潛水艇上的應用，使人們能夠建造越來越小、越來越安全的反應堆。

2000年，美國宇航局設立了普羅米修斯項目，開發(fā)用于長期太空任務的核動力系統。這個項目是自1972年“漫游者計劃”/NERVA項目被取消以來，美國宇航局最認真考慮的核動力火箭太空任務。這個項目用一個裂變反應堆驅動布雷頓循環(huán)熱機，還要發(fā)電為科學儀器和離子推進裝置提供動力。但是在2005年，由于預算限制，美國宇航局又取消了普羅米修斯項目。

“核動力火箭推進”項目

美國一直在默默搞自己的核火箭計劃。美國宇航局很早就認識到，如果要把探索目標定在更深遠的太陽系，核推進可能是唯一可行的技術選擇。即使探測范圍僅僅超越火星軌道，太陽能電池板所能提供的電力就已經不夠了，而采用化學推進將需要大量的推進劑或超長的行程時間，新視野號冥王星探測器就是個明顯的例子。

因此對美國宇航局來說，核動力火箭推進（NTP）和這個機構存在的終極意義是有直接關系的，美國宇航局的愿景、任務，都是為這樣一個長期目標服務：將人類存在擴展到太陽系和火星。而核動力火箭是當前所有先進火箭推進系統中最理想的，它在宇宙中的飛行速度最快，旅行時間最短。這不但能減少航天員暴露在零重力和宇宙輻射中的時間、保護航天員的健康，還簡化了生命保障系統的設計、降低了負荷，系統復雜度的降低也提高了總體上的可靠性。核動力火箭推進還有一個巨大的優(yōu)勢就是它的持續(xù)工作能力強，如果任務臨時中止，還有足夠的能力返回地球。哪怕已經離開地球、在太空航行了3個月，核動力火箭還是能在沒有燃料補充的情況下返回地球。用核動力火箭登陸火星之后，無需補充燃料，就能在任務結束后直接起飛返回地球。

▲ 美國宇航局設想的核動力火箭與獵戶座飛船組合

▲ BWXT技術公司的核熱火箭設計理念

目前，美國宇航局米歇爾航天飛行中心的科研人員正在開展一項叫做“核熱推進”的研究項目，這個項目是在2017年啟動的。美國宇航局把它歸類于“顛覆性研發(fā)計劃”之下。

按照美國宇航局的慣例，具體工作要外包給私營企業(yè)來承擔。被選中的企業(yè)叫做BWX技術公司。這家企業(yè)是傳統的核部件與核燃料供應商，與美國政府有長期的合作關系。具體承擔美國宇航局合同的是下屬的BWXT核能有限公司，美國宇航局和這家企業(yè)簽署了為期3年、價值1880萬美元的合同，開發(fā)一種能用于載人火箭、前往火星的核熱推進用反應堆。

核熱推進火箭打算用鈾或者氘作為燃料發(fā)生核反應。加熱液氫，然后產生高壓氫氣，從噴管中噴射出去產生推力。如果這一階段取得成功，就向核電推進發(fā)展，也就是用核反應堆產生電力，驅動電火箭發(fā)動機。

BWXT技術公司在官網上給出了一些信息。他們把核燃料的濃縮度定在了19.75%，任務關鍵是設計反應堆的核芯、熱流體構造和機械設計，同時為美國宇航局的核動力火箭設計提供驗證和支持。

具體來說，該公司設計了一種雙模式反應堆。它的結構非常容易理解，圓柱形反應堆的正中是一個加熱室，就像化學火箭發(fā)動機的燃燒室一樣。液氫通過兩根管道注入，通過回轉的管道在其中充分加熱，達到高溫高壓，然后從噴管中噴射出去。最近幾年，美國宇航局的預算中都列入了核動力火箭的開支。其中在2019財年開列了1億美元，2020財年增加到1.25億美元。

▲ 核動力火箭研制試驗站C

▲ 在美國宇航局格倫研究中心展出的裂變發(fā)電原型，反應堆核心在底部，熱管在中心，斯特林能量轉換器在頂部

▲ 美國宇航局研制的非核試驗設施內部

美國眾議院商業(yè)、司法和科學委員會在討論這項開支的時候，曾經希望美國宇航局能在2024年安排一次核熱推進的飛行驗證。不過茲事體大，在2019年的討論中，國會對2024這個目標沒有寫成白紙黑字，只是希望美國宇航局能制定一個核動力火箭推進演示驗證的多年期計劃，給出有關的時間表，并且希望美國宇航局提出一份計劃，一旦核動力火箭技術成熟之后，可以啟動那些未來任務。

當下的美國宇航局核動力火箭發(fā)展目標和幾十年前一樣，以低濃縮鈾（LEU）為基礎，實現核動力火箭發(fā)動機的技術可行性和經濟可承受性。

具體目標包括：

1.為載人火星任務提出一種低濃縮鈾核動力火箭概念。

2.在緊湊型燃料棒環(huán)境試驗設備（CFEET）和核動力火箭環(huán)境模擬器（NTREES）中，實現燃料棒的設計、建造和試驗。

3.為LEU燃料棒/反應堆堆芯建立可靠的生產制造方法。

4.驗證排氣捕捉作為核火箭發(fā)動機試驗方法的可行性。

在美國，核動力的有關研究依然是能源部下屬研究單位負責的。美國宇航局自己并不擁有核反應堆，所以在馬歇爾航天飛行中心建立了一個模擬設施，也就是剛才說的NTREES，可以對核燃料棒之外的各種材料和器件進行試驗。NTREES可以實現6.9兆帕的壓力和近2760攝氏度的高溫，能有效模擬天基核動力火箭的工作條件，為研究團隊提供關鍵的基線數據。

▲ 米歇爾航天飛行中心副主任戴爾·托馬斯拿著一份惰性核熱推進燃料樣本站在核動力火箭環(huán)境模擬器（NTREES）旁

在先前成功研究和使用NTREES設施的基礎上，美國宇航局可以安全、徹底地測試各種尺寸的模擬核燃料元件，為未來核動力火箭的設計提供重要的試驗數據支持。

不過美國宇航局并不打算用核熱發(fā)動機直接把火箭送入太空，而是用它作為低溫上面級。火箭還是用傳統的化學燃料推進劑起飛，核熱發(fā)動機中的氫處于液態(tài)。當火箭進入太空、抵達比較安全的軌道之后，溫度也就比較低了。然后才啟動反應堆，把液態(tài)氫一點點加熱，作為工質噴射出去。即使反應堆有一定的輻射，也不會危及地球上的生命財產安全。

FD1和FD2

雖然國會沒有提出硬性要求，但是美國宇航局自己對實際飛行還是很重視的，畢竟這才是研發(fā)的終極目標。美國宇航局科學家設想了兩個階段的飛行演示驗證（FD），分別稱為FD1和FD2。用同樣的核反應堆和推進系統來實施，但演示驗證的目的不同。FD1稱為“性能燃燒”，即反應堆以最大功率運行，以獲得可能的最大推力和比沖。燃燒持續(xù)時間的最小閾值由反應堆達到熱平衡所需的時間設定。FD2稱為“演示燃燒”，需要驗證反應堆和發(fā)動機的反復重新啟動能力。如果有可能，還要在FD2中演示反應堆不同功率級別的操作。美國宇航局沒有為FD2的單次推進持續(xù)時間提出具體要求。但是所攜帶的推進劑越多，就可以收集更多關于發(fā)動機/反應堆動力學特征的數據，也就是說工作時間越長越好。

一般的實驗性航天器在工作任務結束后就不需要過問了，但核動力火箭有它的特殊性，如果操作不慎掉回大氣層里，就會帶來環(huán)境污染。因此無論FD1和FD2，都要設計遠離地球的墓地軌道，不能讓它掉回來。

按照技術發(fā)展的規(guī)律，FD1期間，因為技術不算很成熟、風險比較大，因此必須放在比較遠的位置，因此美國宇航局為它設計了一個日心墓地軌道。FD2因為要反復啟動，所以必須處在地球測控網的監(jiān)視之下，所以將運行在中圓地球軌道上。

FD1任務的遠日點少于一個天文單位，也就是說，它在任何時候都處在比地球更接近太陽的位置上。不但如此，它還要和金星交會，用金星的引力進一步靠近太陽。FD1任務期間所計劃演示的核動力火箭發(fā)動機推力不會太大，因此還是需要用化學火箭把它送入地球逃逸軌道，具體的任務流程是這樣的：

1.通過運載火箭進入地球逃逸軌道。

2.核熱推進系統和電子設備自檢。

3.核熱發(fā)動機啟動。

4.實施10分鐘的性能燃燒，反應堆功率達到1兆瓦，推力達到454牛頓（100%推力）。

5.核熱火箭發(fā)動機停機、冷卻。

6.把反應堆和其他分系統的遙測數據送回地球。

7.核熱推進系統和電子系統第二次自檢。

▲ 美國曾經的火星計劃中，利用航天飛機和核動力火箭在地球軌道上進行載人飛船轉運

▲ 使用核動力火箭的火星飛船飛行示意圖

8.核熱發(fā)動機啟動程序。

9.實施超過10分鐘的燃燒，反應堆功率小于1兆瓦，推力小于454牛頓。

10.核熱火箭發(fā)動機停機、冷卻。

11.把反應堆和其他分系統的遙測數據送回地球。

12.自由滑翔。

13.軌道修正機動。

14.飛越金星。

15.進入最終日心墓地軌道，遠地點小于1個天文單位，與金星軌道不同步。

這個任務的持續(xù)時間約為124天，作為任務最關鍵部分的核動力火箭推進安排在發(fā)射后的頭幾天內進行。這就簡化了對氫氣長期存儲的要求，也降低了對核熱發(fā)動機燃燒期間關鍵電子設備和反應堆設備的功率、量程和數據上行鏈路要求。

與FD1不同的是，FD2的主推進系統（MPS）具有更強大的動力，飛行器的質量也更大。當核熱發(fā)動機啟動時，會給航天器帶來顯著的軌跡變化。因此，FD2的核動力火箭用來實施改變軌道傾角的機動，這樣就允許它在全功率下運行，而且對其他軌道參數的影響也比較小。FD2的任務流程是這樣的：

1.用化學運載火箭把FD2飛行器運送到2000千米高的圓軌道上。

2.核熱發(fā)動機系統和電子設備自檢。

3.核熱發(fā)動機啟動。

▲ 核動力火箭結構示意圖

▲ 核動力火箭結構

4.實施性能燃燒，反應堆全功率運行，達到270兆瓦，推力達到55.6千牛（100%功率輸出），運行10分鐘，反應堆監(jiān)測數據和遙測數據實時傳送到地球。

5.核熱火箭發(fā)動機停機、冷卻。

6.第二次核熱發(fā)動機系統和電子設備自檢。

7.核熱發(fā)動機啟動。

8.演示燃燒，減少軌道傾角，在55.6千牛以下推力工作不超過5分鐘，反應堆功率輸出不超過270兆瓦，反應堆監(jiān)測數據和遙測數據實時傳送到地球。

9.核熱火箭發(fā)動機停機、冷卻。

FD2任務持續(xù)時間不超過一周，兩次核熱發(fā)動機燃燒都安排在任務的前1～3天。

FD1反應堆采用“高含量低濃縮鈾”（HALEU）燃料，功率輸出為1兆瓦。這種配置是根據FD1對反應堆的要求設計的，該反應堆可以滿足2024年飛行的時間框架，還可以最大限度地使用成熟技術，并方便燃料棒的制造和測試。盡管FD1反應堆的功率輸出比NERVA項目少得多，但尺寸和質量卻與之相當，因此技術難度比較小。FD1反應堆的工作溫度約為1100 K，最高溫度接近1200 K，比沖大于520秒。

FD1的主推進系統（MPS）以氣態(tài)氫作為主工作介質。與液態(tài)氫等低溫推進劑相比，選擇氣態(tài)氫可以方便推進劑管理、降低對航天器熱控制的要求。同時，這也沒有改變核熱發(fā)動機所需要考慮的分子和化學特性，因為即使采用液態(tài)氫為工質，在反應堆和發(fā)動機部分，氫還是要變成氣態(tài)乃至離子態(tài)的。FD1任務中設計了8個氣態(tài)氫罐，采用商業(yè)現貨。

MPS采用簡單的排氣設計，避免了復雜渦輪機械的需求。此外，MPS系統使用了一個非制冷的短管噴嘴，降低了對推力性能的要求，這就不需要為發(fā)動機設計復雜的再生冷卻系統，有利于簡化設計。MPS的最大推力為454牛頓，這實際上是由反應堆功率所決定的。所攜帶的氫氣可以支持反應堆工作20兆瓦分鐘的運行，消耗約190千克的氫氣。因為反應堆可以“節(jié)流”到不同的功率水平，這實際上意味著如果降低反應堆輸出功率，所攜帶的氫氣可以使用更長時間。

如果反應堆停機，那么氫氣的消耗量降低到最小程度，因此反應堆溫度會有一個升高的過程，直至核燃料衰變到和深空熱環(huán)境溫度一樣為止。

氣態(tài)氫罐和發(fā)動機之間用多層絕緣（MLI）材料隔離，輔助推進系統和電子系統有各自的帶有MLI的獨立加熱器。此外，在反應堆與航天器的其他部分之間有特制的熱隔離設備。電子設備和其他儀器系統將被安置在離反應堆盡可能遠的地方，以盡量降低這些部件上的熱負荷。設置在反應堆附近的傳感器和攝像設備需要用絕緣線路連接。

熱分析結果表明，通過綜合使用散熱器和熱屏蔽，反應堆運行產生的熱負荷得到了充分隔離。在任務期間，電子設備和其他儀器能在其溫度范圍內良好運行。

FD1上采用超柔性太陽能電池板提供，總發(fā)電功率超過6.4千瓦。FD1的電子/通信系統包括反應堆、發(fā)動機的傳感器系統和數據處理設備，因此比其他航天器的體積更大。反應堆儀表包括多種用來監(jiān)測反應堆健康的傳感器，包括壓力和溫度傳感器。此外，還有輻射監(jiān)測傳感器、抗輻射攝像機、紅外熱成像傳感器以及中子探測器。這些設備安裝在朝向反應堆的吊桿上，以及在發(fā)動機推進期間出現推力羽流的區(qū)域。

FD2的結構材料與FD1相似，大量采用鋁、鈦和不銹鋼元件。但是FD2的功率很大，因此考慮使用玻璃纖維復合支柱，以加強反應堆與液氫罐、電子部件的熱隔離。

為了實施FD1飛行，美國宇航局已經把研制工作推進到了工程樣機研制，有關的時間表也制定了出來。加上DARPA的幫助，或許這一次，核動力火箭真的可以變成現實了吧。