小型核火箭

在探索太陽系其他行星的時候，人類想要做的不僅僅是駕駛小型空間探測器在宇宙空間快速飛行。有時候我們打算向那些大型氣態星球的軌道發射宇宙飛船，在其衛星上面降落，安置機器人，甚至希望能夠將星球表面的巖石以及土壤里的貴重元素運回地球。

最終，向條件允許的星球(至少擁有維持生命所必需的水源)運送宇航員。諸如此類的任務，我們所需要的就不僅僅是依靠化學燃料燃燒產生推動力的火箭，而是那些依靠核裂變產生能量的火箭。當然以化學燃料燃燒為動力的火箭用起來也不錯，但它們在給定燃料基礎上所產生的能量相當有限，并給飛船帶來很大不便。例如，要想到達行星，一架以化學燃料為能源的運載器重量不能太大，并且必須借助行星引力的幫助，這種引力場像磁鐵一樣吸引飛船慢慢靠近目標星球，并不斷提高飛船的速度。為了充分利用這些引力助手，任務策劃者必須等待“視窗”(一小段時間)的出現，在此期間，飛船朝向特定星球發射，而該星球又可以給飛船提供相當的加速度，使它能夠飛向更遠的星球。從技術角度來說，用化學燃料作動力的火箭的最大加速度很低，這就使得飛船不能達到一個更高的速度。

化學燃料火箭中最好的是氫氧火箭，可以為脫離地球軌道的飛船提供約10千米／秒的加速度。相對而言，核火箭所能提供的最大加速度為22千米／秒。如此高的加速度使飛船到達土星的時間從7年縮短到僅僅3年。這種核火箭更安全而且相對來說更環保。與傳統觀念不同的是，核火箭發射的時候放射污染反而更小。由核能推動的飛船將被作為有效負載物放在傳統化學燃料火箭的上面發射。當負載物進入高達800千米的地球軌道時，核反應堆開始啟動。就目前的科研能力而言，制造由核裂變產生的動力推動的火箭并非難事。事實上，我跟我的同事們，已經設計出來了一臺小型核火箭，我稱之為Metee。該發動機制造用時為六七年，耗資6億美元～8億美元，就目前的空間研究領域來說，該項開支已經非常小。事實上，發動機研發過程中花費的資金可以由日后飛船發射所節省的開支來沖抵。原因是該發動機無需攜帶大量化學燃料，也就是說發射過程中不需要價值2.5億美元～3.25億美元的昂貴發射火箭。相反，取而代之用更為廉價的火箭，諸如價格在0.5億美元～1.25億美元的“臺達”或者“阿特拉斯”火箭。

在我們的設計當中，反應堆的核燃料將會以帶孔金屬板的形式出現。其結構像一個中空的果凍卷，一層硫酸鋰氫化物覆蓋在燃料圈的外層，用作緩沖劑來降低核裂變產生的中子的速度。冷凍劑——液態氫將由外而內運動，并隨著溫度的升高很快轉化為氣體流向中心。高達2700℃的氣體將沿金屬圈軸心處的通道做高速運動，最后由末端的噴嘴流出。

核推動力最吸引人之處在于它的燃料(氫)很容易獲得，而且接近取之不盡、用之不竭：氫大量存在于太陽系外層行星周圍，而且廣泛存在于遙遠行星上的冰里面。因為核能持續時間長，如果適時補充燃料的話，以此為燃料的飛船可以在太空中飛行10年～15年。飛船可以在木星、土星、天王星以及海王星大氣層中飛行數月，搜集這些行星的表面狀況、大氣類型以及其他特征的詳細數據。此外，這種飛船還可以到達諸如木衛二等更為遙遠的星球上，并通過電解融化冰中的水來獲得氫以返回地球，因為反應可以在遠離地球的地方順利發生。以核能推動的飛船較之傳統的飛船更安全，在太陽系外層更遠的一些地方，因為光線太弱而無法為飛船的各項設備提供足夠的能量，因此，設備會啟動放射性元素钚238能量源。此外，這種火箭產生的放射性垃圾的數量也是微乎其微，僅為1克的核裂變廢棄物，而且廢棄物無論如何也不會返回地球。

核火箭并非新鮮事物，20世紀80年代，美國國防部在該領域的一項計劃中，空間原子能終端推動計劃赫然在列。它的目標在于研發一種輕質、小型核發動機以協助發射任務，例如向遠地軌道發射重型飛行器。設計的核心是原子燃料反應堆，該反應堆包含大量微小的碳化鈾粒子包，原子燃料反應堆的研發工作在核發動機建成之前就已結束。

我跟同事們在位于布魯克海文的美國國家實驗室對該項目進行了長達幾十年的研究，事實上，Mitee發動機的成功研制很大程度上歸功于我們在其他項目上所付出的努力。除去燃料元素相同的環狀基本結構之外，Mitee同樣也用到輕質的、穩定的硫酸鋰氫化物作為緩沖劑。

顯而易見的一個事實是，如果僅借助于化學燃料推動的火箭，我們探測外太空及其行星的能力畢竟是有限的。在不遠的將來，要想在研究太陽系邊緣那片廣袤的未知世界方面取得突飛猛進的成就，只有核火箭才能給予我們所需要的動力。