鮮為人知的蘇聯核火箭發動機項目

文/ 張雪松

▲ 克爾德什

空間活動能力的核心是推進系統，而推進系統發動機的比沖量，直接決定了空間活動的范圍和規模。傳統化學火箭發動機受到推進劑能量的限制，高能氫氧推進劑的理論最大比沖也只有520秒，實用氫氧發動機更是只有465 秒。相比化學能推進劑，核物質蘊含的能量要高得多，核火箭發動機能實現更高的比沖，具有光明的應用前景，核火箭發動機也得到了航天強國的高度重視。

核熱火箭發動機的倡議

美國工程師斯塔尼斯拉夫·烏拉姆，在參與曼哈頓工程的1944 年就最早提出了核熱火箭的概念，蘇聯人不久后也提出了類似的概念，美蘇兩國都不約而同地付諸實施。

1954 年秋，美國空軍委托原子能委員會論證和研究核熱火箭發動機，最初計劃作為洲際導彈發動機，后來應用于運載火箭和深空探測器。1955 年，蘇聯科學院院士、后來成為蘇聯科學院院長的姆斯季斯拉夫·克爾德什也倡議研制核火箭發動機，蘇聯科學家和工程師們拿出了多個理論設計方案，積極向領導人推薦這種革命性的高性能火箭發動機。

面對美國研制核熱火箭發動機的動向，以及蘇聯本國科學家的大力呼吁，1958 年蘇聯部長會議正式通過了研制核熱火箭發動機的決定。首提核熱發動機倡議的克爾德什院士，蘇聯核領域的開創者、原子彈之父伊戈爾·庫爾恰托夫院士，蘇聯航天元勛謝爾蓋·科羅廖夫都參與了核熱推進系統的研制，蘇聯全國數十家研究院所和相關單位參與了這項革命性空間推進系統的研制工作，核熱火箭發動機主要由位于沃羅涅日的化學自動裝置設計局負責研制。

獨特的蘇聯核熱發動機方案

雖然美國核熱火箭發動機的研制更早、投入更大，取得了很多成果，但蘇聯核熱推進進行了很多技術創新，發動機設計的更為高效和安全。

▲ 庫爾恰托夫誕辰100 周年紀念郵票

美國核熱火箭發動機項目代號ROVER 計劃，ROVER 計劃使用均勻化的反應堆，先后建造了KIWI 系列等多個反應堆進行試驗驗證，而蘇聯的核熱火箭發動機設計上采用非均勻核反應堆，其特點是核燃料和慢化劑分開布置，這種巧妙的設計具有諸多的優點：

可以單獨對慢化劑進行冷卻。這樣，慢化劑選擇時可以只考慮慢化性能，而無需過多的考慮耐高溫能力，擴大了慢化劑選擇范圍并降低了研制難度。

減少了反應堆中耐高溫部件的數量和種類。反應堆材料可選擇類型更多，相應的降低了反應堆的設計和制造難度。

▲ 左起：科羅廖夫、庫爾恰托夫、克爾德什

可以在單個或幾個核燃料組件內驗證液氫工質在反應堆內的熱工過程。這樣可在實驗堆內進行測試，無需一開始就建造全尺寸的核反應堆，降低了試驗難度和研制費用。

蘇聯的非均勻核反應堆還使用了模塊化的堆芯設計，模塊化設計意味著即使對核熱火箭發動機的具體需求和指標尚不明確的情況下，就可以開始研制標準化的燃料組件。蘇聯研制了標準化的核燃料組件，通過不同數量組件的組合實現不同尺寸和功率的反應堆，通用化和組合化的核反應堆設計，有利于開發出系列化的核熱火箭發動機，滿足不同深空探測任務對核熱火箭的性能需求。組合化設計還提高了核反應堆的安全性和可靠性，并降低了核熱火箭發動機的研制成本。

核熱發動機的研制

核熱火箭發動機的理論比沖可達900 秒左右，是最好的化學能火箭發動機的兩倍。從美國載人火箭設計參考DRM-1、DRM-3 到DRA-5 等報告看，核熱火箭發動機可將地球出發級規模從1400 噸降低到800 噸左右，整體效率提高70%，應用前景十分誘人。

▲ 庫爾恰托夫設計的火星94 任務飛船示意圖

▲美國NERVA 核熱火箭發動機

核熱火箭發動機具有高比沖和大推力的特點，理論性能很好，但研制難度也很大，蘇聯從1958 年正式開始研制核熱火箭發動機，直到1978 年才初現曙光，隨后尚未上天實用就不幸中道崩殂。蘇聯為了研制核熱火箭發動機，積極進行耐高溫燃料組件的研制，設計制造了多個核熱推進裝置，還先后建造了IGR、IVG-1 和IRGIT 這3 個專用試驗堆，雖然核反應堆的建造規模小于美國的ROVER/NERVA 計劃，但資金投入仍然不小。

IGR 是一種非均勻氣冷的石墨脈沖核反應堆，它能在很短時間內產生極高通量密度的中子和伽馬射線，主要用于檢驗核熱推進系統燃料組件在苛刻的核輻射環境下的可靠性。IGR 反應堆為驗證燃料組件的結構方案和制造工藝鋪平了道路。

▲ 蘇聯核熱火箭發動機RD-0410

▲ 美國KIWI-B4A 核熱火箭發動機

IVG-1 是一種非均勻氣冷、以水為慢化劑的核反應堆，它使用模塊化堆芯設計，可以調整甚至更換全部的燃料組件和慢化劑。IVG-1 反應堆擁有獨立的氫氣輸送裝置，不僅能對各種方案的燃料組件進行試驗，而且對加熱氫氣的熱工過程進行了驗證。

IRGIT 是蘇聯核熱火箭發動機RD-0410 的地面原型堆。IRGIT 實現了從啟動、全功率運行到停機和檢查的全程試驗，試驗中達到了42 兆瓦的最大功率，經過堆芯加熱后，氫工質的平均溫度超過2300 攝氏度，為空間核熱火箭發動機RD-0410 的研制奠定了堅實的基礎。

核熱推進的試驗和終結

1978 年，蘇聯在塞米巴拉金斯克試驗場進行了核熱火箭發動機的初步測試試驗，對IRGIT 核反應堆進行了多次功率測試。氫氣是一種強效的化學還原劑，在高溫下還原性更強。2000 ～3000 攝氏度的高溫氫氣環境中，保持發動機的穩定工作是一個重大技術難題。蘇聯研制的三元碳化物燃料較好地解決了這個問題。然而，核熱火箭發動機的核污染問題更大，一旦反應堆出現故障甚至是泄露，高溫氫氣帶著高輻射性的核燃料噴出，將是一場巨大的環境災難。

上世紀80 年代，蘇聯對RD-0410核熱發動機的地面原型堆進行了多次試驗，樣機在試驗臺上進行了多次電加熱試驗，對3.5 噸推力的RD-0410 核熱火箭發動機從材料、工藝到總體結構方案的正確性，為制造真正的核熱火箭發動機做好了準備。然而，蘇聯末期動蕩的歲月毀滅了核熱火箭發動機用于深空探索的夢想，蘇聯不堪重負的財政難以承擔這些燒錢無數的航天項目，使用核熱火箭發動機探測月球和火星的宏偉夢想，連同尚在襁褓中的核熱火箭發動機在1988 年被束之高閣。

冷戰結束后，俄羅斯曾提出庫爾恰托夫火星94 載人任務，使用RD-0410核熱火箭發動機作為動力系統的設想。本世紀初，俄羅斯還曾利用蘇聯在空間核動力領域的豐厚技術積累，提出了研制核熱核電雙模式空間動力系統，用于未來的載人深空探測任務。遺憾的是，俄羅斯提出的這些方案缺乏資金投入，始終停留在了紙面上。近些年來，俄羅斯又把重心轉向核電推進系統，核熱推進技術很可能要出師未捷身先死了。★