瘋狂的夢想
——核火箭發動機

文/ 張雪松

我們對原子能并不陌生，原子核裂變或聚變反應時釋放出的能量，是燃燒等質量化學燃料放出能量的數百萬倍。原子能早已在其他領域得到廣泛應用，但航天領域使用卻慎之又慎，以至于很少有人記得，當年美國曾瘋狂追逐過極其危險的核火箭技術。

▲ 電推深空運輸器

最初的夢想

美國制造原子彈的曼哈頓工程精英云集。1944年，兩位科學家烏拉姆和霍夫曼提出了核熱推進的概念，霍夫曼后來還推動過更瘋狂的“獵戶座”核彈推進項目。1947年，霍普金斯大學發布了研究報告，論述了核動力飛機和火箭等概念，北美公司同年發布了更詳細的報告，進一步深入探討核動力飛機和火箭的方案。1948年英國星際學會發表了“核火箭”的系列文章，第一次公開討論核火箭的話題。

巴薩德沖壓發動機是由美國物理學家巴薩德在1960提出來的。典型的巴薩德沖壓發動機其實也是一種核聚變發動機。巴薩德深入研究指出，相比于常規火箭發動機2532米/秒的噴流速度，使用氫為工質的核熱火箭能噴出6924米/秒的噴流，比沖提高了兩倍還多！核火箭的前景相當誘人，不過它從概念變成現實，離不開軍事需求的驅動。美軍當時正在研制洲際導彈，但對普通燃料的火箭能否打出洲際射程心里沒底，于是1955年美國原子能委員會開始研究核熱火箭，“流浪者”（Rover）計劃由此啟動。1958年，宇宙神液體洲際彈道導彈圓滿成功，美國空軍頓時對危險的核熱火箭失去了興趣，但美國宇航局（NASA）接過這個燙手的山芋，希望用它來支持自己的星辰大海之夢。

瘋狂的嘗試

美國宇航局忙于追趕領先的蘇聯航天，更對先進的核熱推進概念趨之若鶩。該局和原子能委員會聯合成立了空間核推進辦公室，同時啟動了用核作為火箭發動機的計劃（NERVA），其中美國宇航局負責發動機及其測試設施的研制，而原子能委員會專注于核熱發動機的反應堆技術。NERVA項目得到了總統肯尼迪的大力支持，美國宇航局和原子能委員會決定在Rover計劃的基礎上全面推進NERVA核發動機的研制試驗工作。

核熱火箭發動機的原理并不復雜，它使用高溫核反應堆作為熱源，加熱流過堆芯的氫作為工質，高溫氫氣從噴管噴出產生推力。Rover/NERVA直接使用反應堆加熱氫氣，反應堆的外形讓我們倍感親切：這不就是蜂窩煤么？核熱火箭發動機看起來簡單，但首先要使用武器級鈾，其次如何保護堆芯也是個大問題。核反應堆一般使用石墨或重水作為慢化劑，而重水沒法用于空間堆，而高溫富氫的環境下，石墨會和氫反應生成甲烷等有機物。經過反復測試，美國人選擇了耐高溫和氫蝕的碳化鈮和碳化鋯作為保護層。然而這兩種材料過于脆弱，核工程師絞盡腦汁之后，改用氫化鋯做慢化劑才解決了這個問題。

▲NASA載人登火方案中使用核火箭的載人火星運輸飛行器（對接了獵戶座飛船）

洛斯阿拉莫斯實驗室從Rover計劃開始研制了KIWI為代表的空間核反應堆。為了減輕重量和體積，空間核反應堆使用90%以上豐度的濃縮鈾235。這可是武器級核材料，換句話說這臺核熱火箭發動機相當于一枚小型核彈！KIWI A反應堆以70兆瓦運行了5分鐘，后續的KIWI-A1和A3分別達到了85兆瓦和100兆瓦，至于更強大的KIWI-B系列更是達到了1000兆瓦級別。KIWI是新西蘭特產的無翼鳥，暗喻這些反應堆只是地面測試，不會上天，然而地面測試也險象環生。從1961年12月7日到1962年11月30日，美國測試了KIWI-B1A、KIWIB1B和KIWI-B4A等，后兩種方案只運行了幾秒就出現堆芯損壞的嚴重故障，噴氣出現了泄露的放射性同位素！洛斯阿拉莫斯實驗室接下來進行了改進完善，研制了KIWI-B4D和KIWIB4E反應堆。它們的測試獲得了成功，KIWI-B4E已經達到了1100兆瓦的功率。另外還進行了名為“KIWI-TNT”的破壞性試驗，模擬反應堆超臨界后爆炸的情況，證明耐熱殼體破裂的損失和傷害并不大。最壞的情況也不過如此，核熱火箭發動機曙光在前了。

▲ NERVA反應堆結構圖，核蜂窩煤

計劃趕不上變化

空間核推進辦公室決定先采用研制推力34噸的核熱火箭發動機方案，它的設計比沖825秒，是當時最好的氫氧發動機真空比沖的兩倍。NERVA核發動機的推力和比沖決定了它需要超過1000兆瓦功率的核反應堆，KIWIB4E成為NERVA核熱火箭發動機的起點。NERVA計劃選中阿羅杰特公司和西屋公司為承包商，洛斯阿拉莫斯國家實驗室提供技術支持。1965年4月NERVA核火箭試驗（NRX）開始，而實用的核熱發動機代號NERVA XE，截止1968年3月此款核熱火箭發動機共進行了28次地面試車，地面試車中核熱火箭發動機的推力、比沖都得到了證明，長程試車中發動機的可靠性也得到檢驗。NERVA XE最長進行了一個半小時的試車，把試驗基地的液氫都用光了，但發動機并沒有出現問題，更別說堆芯損壞的災難性后果，核熱火箭發動機觸手可及了！

▲ 核火箭發動機

美國開展核熱火箭發動機研究，瞄準的是未來的月球殖民和載人火星探測任務。NERVA研制的34噸推力核熱火箭發動機僅僅是個開胃菜，Rover計劃第二階段還在研制性能更強的核反應堆。1965年洛斯阿拉莫斯實驗室研制的“太陽神”（Phoebus）反應堆開始測試，1968年6月Phoebus2A地面測試時工作12分鐘達到了4000兆瓦的功率，理論上可產生90噸級的推力！然而，核熱火箭發動機的好運到此為止。1969年美國贏得了登月競賽的勝利，隨后美國國會大舉削減航天預算，阿波羅17號之后的任務全被砍掉，土星5號火箭生產線也被關閉。沒有土星5號重型火箭，NERVA連登場的機會都沒有了。洛斯阿拉莫斯實驗室在Rover計劃下又研制了小型的京燕（Pewee）反應堆，但到1972年這個項目也被取消了。

▲ 測試中的Rover和NERVA發動機（左上是KIWI-A反應堆）

瘋狂的落幕

20世紀80年代美國開始“星球大戰”計劃，核熱火箭發動機以其高比沖的優點又得到了重視。美國空軍從1987年到1991年間花費1.39億美元實施Timberwind項目，計劃研制小型核熱火箭發動機。隨后，美國空軍的SNTP項目進行了進一步的研究。時隔20年后，隨著高溫材料、計算機模擬等技術的進步，新的核熱火箭發動機重量僅有NERVA的不到1/4，但推力卻超過它的1/3，比沖也提高到1000秒左右，然而這些項目都沒有成功。

美國宇航局同樣保持了對核熱火箭的熱情，不時提出基于核熱火箭的載人火星探測方案，比如2009年的載人登火DRA5架構就以核熱火箭技術為首選。最后，隨著航天推進技術的進步，核熱火箭的方案已經是回光返照了：美國宇航局未來載人火星任務方案以大功率太陽能電推（SEP）系統作為首選推進系統，SLS重型火箭發射的深空運輸器（DST）使用大功率電推，其比沖是核熱火箭發動機的三倍以上，又避免了發射和使用空間核反應堆的危險性。核熱火箭發動機頗具“暴力美學”，但它落后于時代，只能黯然退幕了。★