星際引擎初探

李偉

隨著載人航天和深空探索的計劃不斷推進，越來越多的人開始憧憬星際旅行——搭乘太空飛行器飛出太陽系。這類飛行器無疑需要強大的動力系統(tǒng)——星際引擎。目前有兩種概念型航天動力系統(tǒng)具備很大的研發(fā)和應(yīng)用潛力，且完全處于現(xiàn)有的科學(xué)框架之內(nèi)，無須依賴新的物理理論或奇異的新物質(zhì)。

激光灼燒金屬產(chǎn)生推力

據(jù)美國《金屬研究》雜志報道，各國航天工業(yè)的研究證實，太陽能不足以推動未來用于星際探索和旅行的大型太空飛行器，新型推進技術(shù)的開發(fā)越來越受到重視。其中，利用激光束灼燒物質(zhì)推動飛行器，是最新的研究方向。這雖然聽上去充滿科幻色彩，但具備一定的可行性。

激光驅(qū)動技術(shù)的原理是利用高能激光灼燒物質(zhì)生成氣體，氣體膨脹產(chǎn)生推力，推動飛行器前進。該技術(shù)具有推力大、成本低等優(yōu)點，可廣泛用于衛(wèi)星發(fā)射、太空軌道碎片清除、衛(wèi)星姿態(tài)和飛行軌道控制等領(lǐng)域。如果應(yīng)用于衛(wèi)星發(fā)射方面，這種技術(shù)能夠使發(fā)射成本降低到每千克數(shù)百美元，低于目前每千克數(shù)千美元的發(fā)射成本。

NASA設(shè)想的激光驅(qū)動型火箭

俄羅斯研究用激光推動帆狀裝置驅(qū)動飛行器

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，美國航空航天局（NASA）設(shè)有一間激光驅(qū)動技術(shù)實驗室，正在測試這種激光灼燒驅(qū)動技術(shù)，即利用強大的激光束灼燒飛行器尾部裝載的燃料，產(chǎn)生高能氣體提供推力。另據(jù)俄羅斯《觀點報》報道，俄羅斯航天科技部門也在研究類似的技術(shù)：用激光束灼燒物質(zhì)，生成高壓氣體，推動太空飛行器上安裝的帆狀裝置，作為前進的動力。

《金屬研究》指出，激光驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵是找到一種合適的驅(qū)動燃料，金屬被認為是理想的選擇，因為少量金屬經(jīng)激光灼燒后就可以產(chǎn)生強大的推力。不過，選用何種金屬要經(jīng)過廣泛的論證和試驗。

NASA的激光驅(qū)動研發(fā)工程已經(jīng)選中了一種金屬——釷，它具有微弱的放射性，經(jīng)過激光照射很容易發(fā)熱，繼而在一個閉合空間中產(chǎn)生氣體。這種氣體可為引擎提供動力。或許有人擔(dān)心釷的安全性，但研究表明，鋁箔可阻擋釷的輻射外泄。據(jù)估算，約8克釷就足以為一輛高速行駛的跑車提供動力，并且可以維持它行駛10萬公里。可見，這種金屬具備驅(qū)動太空飛行器的潛力。

與現(xiàn)有的火箭推進系統(tǒng)以及核動力系統(tǒng)相比，激光驅(qū)動系統(tǒng)在體積和重量上都擁有一定的優(yōu)勢。由于金屬燃料所占的空間比較小，激光驅(qū)動的太空飛行器將擁有可觀的載荷。

激光驅(qū)動系統(tǒng)是未來太空動力系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。各國的航天機構(gòu)可能先開發(fā)一款小型、機動性強、可重復(fù)使用的激光驅(qū)動火箭，以測試其有效性。一旦獲得成功，就可以開發(fā)大型激光驅(qū)動飛行器。

不過，激光驅(qū)動技術(shù)面臨重大挑戰(zhàn)。首先，激光束必須精確聚焦于飛行器的驅(qū)動裝置，不能有絲毫偏差，否則飛行器就會因為得不到足夠的動力而失速;其次，激光束發(fā)射裝置的功率必須“超級強大”，也就是說，要在超大功率激光發(fā)射器方面取得技術(shù)突破。

核動力液體燃料火箭

激光驅(qū)動技術(shù)尚處于概念研發(fā)階段。與之相比，利用核動力系統(tǒng)作為星際引擎的方案更為成熟，未來第一艘飛出太陽系的載人航天器，很有可能由核動力引擎驅(qū)動。

核動力液體燃料火箭的動力系統(tǒng)

NASA和美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室正在聯(lián)合開發(fā)一種新型核動力火箭，它被認為是星際引擎的主要發(fā)展方向。

這種火箭的核心是其采用的新型燃料——鈾化物和水的混合物，它可以在引擎中持續(xù)進行強勁的核反應(yīng)。當(dāng)鈾原子被中子擊中時，會變得不穩(wěn)定，裂解為氪和鋇，從而激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這一過程會釋放出大量能量。核動力液體燃料火箭中的水，可以起到慢化劑的作用，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進行。核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將水變成熾熱的等離子體，為火箭提供推力。

核動力液體燃料火箭噴出的尾氣，溫度達到傳統(tǒng)火箭尾氣溫度的上百倍，后者的溫度高達3200攝氏度。由此可見，核動力液體燃料火箭效率更高、推力更強大。

核動力液體燃料火箭以持續(xù)進行的核反應(yīng)為動力源。鈾元素以四溴化鈾的形式、2%的濃度溶解在水中，其中20%—25%為鈾-235，從而提供可發(fā)生核反應(yīng)的裂變材料。除了鈾化物，核動力液體也可以采用釙化物。

這種效率極高、推力極大的引擎正是航天系統(tǒng)工程師夢寐以求的。一旦研發(fā)成功，核動力液體燃料火箭將成為有史以來最強大的火箭。

利用鈾化物作為燃料，核動力液體燃料火箭只需要數(shù)月便可抵達太陽系邊緣。相比之下，利用傳統(tǒng)火箭前往土星，單程就需要3—7年時間。

核動力液體燃料火箭的排氣速度約為每秒6萬米，而傳統(tǒng)火箭只有每秒4500米。然而，要想實現(xiàn)抵達遙遠星系的夢想，這個速度依然遠遠不夠。核動力液體燃料火箭的速度要達到光速的二十分之一，還需要把低濃度的鈾替換成更“強大”的物質(zhì)，比如武器級別的高濃度鈾。這種鈾化物中含有90%的鈾-235，比試驗系統(tǒng)中的20%高得多。

假如一枚330噸的火箭攜帶足夠的核動力液體燃料，其中鈾-235的含量為90%，那么其排氣速度可以達到每秒9000公里，約為光速的3%。

這種火箭產(chǎn)生的熱量也許是它最大的瓶頸。能經(jīng)受如此的高溫和輻射的排氣噴嘴，一定要用極其堅固耐用的材料制成。另外，燃料罐也要用特殊的、能夠吸收中子的材料制成。

激光灼燒金屬推動太空飛行器想象圖

碳化硼密度低、強度大，常被用于制造武器系統(tǒng)。它是硬度最大的材料之一，之所以在核能領(lǐng)域能夠得到廣泛應(yīng)用，另外兩個原因是它吸收中子的能力和強大的化學(xué)穩(wěn)定性。如果沒有硼元素來吸收多余的中子，那么核反應(yīng)就可能失控。因此，可以用碳化硼制成長長的管道，讓燃料通過管道進入反應(yīng)艙，再發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。此外，為了讓噴嘴和反應(yīng)艙冷卻下來，還需要有水從這些部位表面流過，帶走多余的熱量。

那么，反應(yīng)艙本身要用什么材料制成呢？什么樣的材料才能承受如此劇烈的反應(yīng)？對此，NASA專家解釋，這種新型火箭最關(guān)鍵的并不是材料，而是液體的流動。如果液體在反應(yīng)艙中的流動速度保持在合適的水平，其釋放的能量便會大多集中在反應(yīng)艙尾部，對艙體本身不會造成太大壓力。

與核動力液體燃料火箭相關(guān)的所有工程問題，基本上都能用現(xiàn)有的科學(xué)方法解決。但由于目前尚未造出原型機，所以人們還無法確定這一方案是否能夠成為現(xiàn)實。

核動力液體燃料火箭的原理，決定了它在飛行過程中會不斷釋放出放射性物質(zhì)。因此在從地球進入太空時，該型火箭不能使用核動力推進，否則會對周邊區(qū)域造成污染。一旦進入深空，這就不是問題了，因為遙遠的距離能將放射性物質(zhì)“稀釋”到可以忽略的水平。即使有放射性物質(zhì)落到地球上，其數(shù)量也可以忽略不計。

光有核動力液體燃料還不夠，火箭還需要借助激光加速等技術(shù)，才能離開地面，飛往遙遠的星系。此外，由于大部分燃料都將用于加速，科學(xué)家還無法確定該型火箭即將抵達目的地時該如何減速。不過，它仍然被認為是借助現(xiàn)有技術(shù)能夠制造出的最佳星際引擎。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com