核动力火箭征服太空

从 作者:赵洋

早在20世纪初,得知居里夫妇提炼出放射性元素镭之后,俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言:”一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”

 

那时科幻作家给予这种新能源以充分的关注。H.G.威尔斯在1914年出版的科幻小说《获得自由的世界》中设想了核武器运用在战争中给人类造成的苦 难。1926年,雷金纳德-格罗索普在科幻小说《太空孤儿》中第一次将原子能与炼金术联系在一起。 但只有科学家在1938年发现了核裂变的秘密后,核武器及核动力才有可能成为现实。


图1:原子弹爆炸

1944年,德国的火箭武器V-2飞弹首次袭击伦敦;1945年,原子弹成为现实。火箭与核动力在20世纪中叶一直是科幻作家钟情的主题,有识之士 已经把二者结合在一起。 阿西莫夫在《基地》系列《市长》(1942年初次发表时名为《笼头与马鞍》)一篇中设想,银河边缘的星区文明衰落了,原子能源被遗忘,科学渐渐变成了神 话。掌握原子能的科学家变为神职人员一样角色。在那个小王国合纵连横的时代,驱动两英里长皇家旗舰的是”原子反应炉”。这种驱动太空战舰的原子反应炉也就 是我们下面要介绍的核动力火箭。

“猎户座”乘原子弹上天

20世纪50年代,核电站、核动力船舶、核动力飞机等技术设想层出不穷。大胆的科学家把目光投向了美国和苏联逐渐膨胀的核武库,他们打算把这些核弹作为火箭燃料,推进飞船飞向遥远太空。这个铸剑为犁的计划就是”猎户座核火箭计划”。

核火箭的技术论证最早出自美国核科学家乌拉姆。其原理是使一颗颗小型原子弹在飞船尾部相继爆炸而产生反作用力推动飞船前进。如果每颗原子弹的爆炸当 量为1000吨TNT,估计爆炸50颗原子弹后飞船速度可达12千米/秒。1958年,美国核科学家泰勒在此基础上提出了”猎户座”计划。按照泰勒的设 想,每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT(在大气层外),爆炸50颗这样的原子弹后,飞船的最大速度可达70千米/秒。该火箭可以用来发射大型载人行 星际飞船,可以用125天飞到火星,用3年时间飞到土星。


图2:猎户座火箭外形

泰勒在美国核武器研发机构洛斯阿拉莫斯的专业是核武器效用,他是核弹小型化方面的专家。他也了解成型爆破技术,即如何控制爆炸碎片精确定向。泰勒采 纳了乌拉姆的”推进盘”构想,把推进物和核弹组合在一起,成为一个脉冲单元。根据泰勒的设想,猎户座计划中的飞船将携带数千枚小型核弹,当飞船需要动力 时,宇航员就从船尾释放出一颗原子弹,接着再释放出一些由含氢塑胶制成的固体圆盘,当飞船驶出一定距离,原子弹将在飞船后面爆炸,瞬间将塑胶圆盘蒸发,将 其转化成高热的等离子体。这些等离子体会向四面八方冲击扩散,其中一些将会追上飞船,撞击飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动飞船高速行驶。飞船上还设计 了一个震波吸收系统,可以把冲撞到金属推进盘上的能量储存起来,并逐渐释放出去。


图3:核裂变原理

由于不清楚飞船尾部的巨大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子体熔化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了模拟测试。通过试验发现,瞬间高温的等 离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,其程度甚至可以忽略不计,没必要设计专门的冷却系统,并且普通的铝和钢就足以做为制造金属推进盘的材料。

猎户座计划的工作者们建造了一系列模型,用以测试铝制的推进盘能不能承受化学爆炸的瞬间高温高压。一些模型在实验中被毁,但是1959年一个火箭模 型使用6个普通炸弹成功地飞行到了100米的高度,证明了脉冲推进是能够稳定飞行的。这次试验也证明,推进盘应该是中间最厚、向边缘逐渐变薄的形状,才能 达到最高强度和最低重量。

根据计划,猎户座火箭将从美国内华达州杰克斯平地核试验场发射升空,整个火箭和飞船加在一起有16层楼高,外形像一颗钝头子弹。飞船尾部的推进盘直 径达41米,发射平台由8个高达76米的发射塔组成。在起飞阶段以每秒一枚的速率引爆100吨TNT当量的小型原子弹;而当飞行器达到一定速度后,引爆速 率将下降到每10秒一枚,不过这时抛出的将是2万吨当量的核弹。这个方案要求火箭一直垂直向上飞行直至冲出大气层(化学能火箭通常在大气层内一定高度就开 始转向),这样可以使放射性沾染降到最低。当火箭被发射升空后,它的尾部每10秒钟就要爆炸一颗相当于2万吨TNT当量的小型原子弹。


图4:猎户座火箭在核爆炸中飞上天空

现在看来,猎户座计划几乎没有任何明显的技术缺陷。然而,它却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力。当它在大气层内飞行时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划最终没能实现的原因之一。

曾参与”猎户座”计划的物理学家弗里曼-戴森和他的伙伴通过计算表明,”猎户座”火箭发射造成的环境污染不会超过核试验的百分之一。但这百分之一却 改变了科学家们的抉择——”猎户座”火箭每一次升空释放出的放射性废料及落尘对地面生物的影响,大约会造成0.1-1个人死于癌症。和平主义者戴森后来回 忆说:”一想到我做的事是在现有(放射性)落尘量上增加百分之一,我(对核火箭)的热情便不由得冷却下来。”


图5:猎户座火箭冲出大气层

1963年签署的《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》从法理上宣判了任何在大气层内点燃的核火箭为非法。1965年,”猎户座”计划研究终 止。该计划雄心勃勃的口号”1965年到达火星,1970年到达土星”永远没能实现。好在这个光辉的想法在科幻中获得了新生。在科幻电视剧《星际迷航》第 一季(1966-1969年播出)里有一集名为”世界是空的,我摸到了天空”,讲述了一个种族将一颗铁质小行星掏空改造为世代飞船,运用猎户座式的核弹脉 冲发动机,在太空中前行了30光年,历时一万年。

在接下来的岁月里,经历过三里岛、切尔诺贝利等核事故的公众,对在太空计划中采用有潜在核污染可能性的核火箭持保留态度。核火箭的舞台,只能从更遥远的深空找寻。

飞向恒星:代达罗斯计划


图6:代达罗斯飞船

“代达罗斯计划”是英国星际学会在1973至1978年之间倡导的研究计划,提出使用核聚变火箭推进的无人飞船对另一个恒星系统进行快速的探测。该计划设想在一个人的有生之年——50年——之内,抵达另一颗恒星。距地球6光年的巴纳德星被选择为该计划的目的地。

根据上述要求,火箭工程师阿兰-邦德率领的13人研究小组提出了核聚变火箭的构思。它的核聚变火箭不是在像猎户座那样在外部爆炸原子弹,而是依靠内 部的发动机,在一个磁场构筑的”燃烧室”中,向核燃料球发射电子束,产生离子。用磁场限制等离子体的办法维持持续的核聚变。这将比猎户座计划的核裂变更高 效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。


图7:核聚变原理

设计中的代达罗斯火箭比猎户座火箭更加庞大。虽说是一台无人飞船,但这个无人飞船重达5.5万吨,相当于半艘尼米兹级核动力航空母舰的重量。长度达 到190米。这是一艘真正的星际飞船,其中5万吨都是燃料的重量。科学仪器重量只有区区的500吨。因为实在太大,无法一次发射到太空中,这台探测器只能 在地球轨道上利用微重力环境组装。代达罗斯火箭由两部分组成,第一级火箭工作2年,把飞船加速到光速的7.1%。之后第二级火箭工作1.8年,把飞船加速 到光速的12%,然后关闭发动机,在茫茫太空中依靠惯性滑行46年,最后到达目的地。因为在太空中要经受住极低温的考验,飞船外壳大量使用了铍,使飞行器 在低温中仍然能保持结构强度。


图8:代达罗斯飞船设计图

火箭的核聚变燃料由氦-3和氘构成,氦-3是氦的一种同位素,原子核里有两个质子和一个中子。地球上没有氦-3,为了获取代达罗斯飞船需要的 3000吨氦-3,当时科学家们设想在木星的卫星上建立飞船组装基地,将在地球上制造的飞船部件,运到这个基地组装,并利用木星上丰富的氦资源来制造氦 -3燃料。当然,现在已经探测到月球表面也有大量氦-3,所以不必舍近求远了。至于氘(氢的一种同位素),可在地球的海水中提取。

代达罗斯的推进系统是核聚变脉冲火箭,它巧妙绕开了1963年的部分禁止核试验条约。代达罗斯所依赖的聚变脉冲对环境影响小,不受条约限制。按照设 计,氘和氦-3组成的混合燃料球由高能电子束在惯性约束反应室中点燃并爆发,爆发产生的离子气在磁场的约束下以每秒1万千米的速度排出船尾,以作为动力的 来源。每秒代达罗斯需要消耗250个燃料球。

1978年,英国星际学会公布了代达罗斯计划的最终方案。该计划给出了有史以来第一份详细的核动力飞船设计图,旨在论证可能性。但直到今天,代达罗 斯所需要的大量核心技术仍是纸上谈兵,没有核聚变火箭,没有木星开采技术,在轨道上建造几万吨的航天器也近乎天方夜谭–只有区区300多吨的国际空间站 就花费了20年时间进行组装建设。


图9:科幻片《冲出宁静号》剧照,剧中飞船使用核聚变发动机

项目的花费也是大问题。将几万吨的载荷发射进入地球轨道所需要的费用已经是天文数字了,何况代达罗斯用到的金属铍开采提炼均非易事,故而每公斤价格 高达几百至上千美元。单单是代达罗斯的偏转罩就需要50吨的铍。因此这样的计划就算真的要变成现实,也必然会以大型国际合作项目的面目出现。即便如此,代 达罗斯计划仍是目前研究论证最完备的核聚变火箭计划。它的构想影响了许多科幻影片:从《异形》到《阿凡达》,从《Wall-E》到《冲出宁静号》,这些影 片无一例外都把核聚变发动机作为推动庞大飞船的”常规”推进方式。

核污染:核火箭不能承受之重

核火箭无疑是解决宇宙航行动力问题的重要发展方向。但是在公众眼中,核能总像一把双刃剑,在释放巨大力量的同时,也隐含着巨大的危险。

核火箭最大的隐患是核辐射。泄露核辐射对宇航员健康可能造成威胁。如果屏蔽不好,核火箭飞船内的辐射量相当于宇航员每天要做8次X线胸部透视,较长时间的作用会对宇航员的身体造成严重的伤害。

历史上曾有多颗核动力卫星失灵对地面产生威胁,这些都是未来核火箭的前车之鉴。2009年2月10日,美国 “铱-33″通信卫星和已经停止工作的俄罗斯”宇宙-2251″在北西伯利亚上空发生碰撞。”宇宙-2251″携带有核动力装置,此次碰撞形成了具有潜在 核辐射危险的太空碎片。目前,使用核电源的30颗俄罗斯卫星和7颗美国卫星运行在距离地球800千米到1100千米的轨道上,在那里相似的碰撞还有可能发 生。这么多卫星意味着大约40次的”潜在核爆炸”。如果其中任一卫星碰到太空垃圾碎片,它将减速并最终重返大气层,在地球上空和地面释放辐射。


图10:核动力火箭如果在地球附近爆炸,会对地面造成核污染

自从1978年苏联核动力卫星”宇宙-954″在加拿大坠毁并造成地面核污染以来,联合国负责和平利用外太空的科学与技术委员会一直在关注太空核反 应堆的应用。它的调查构成了联合国会员大会1992年12月通过的名为”关于在外太空使用核动力电源的原则”决议的基础。根据决议,只有当它们的应用绝对 必需之时,核反应堆才可以被用于外太空,并且在太空任务完成之后,装备了核反应堆的卫星应该被置于足够高的轨道,在那里对现有和未来的外太空任务的威胁和 与其他外太空物体碰撞的概率都很小。

在世纪之交,一些国际科学团体认定,没有核发动机和核反应堆就不可能有效地探索外太空。核能它可以被用于加速行星际飞船,并为飞船上的设备提供能 量。因此,必须找到一种方法来确保核装置的辐射安全。高效核燃料镅的出现,催生了核动力飞行的一种最新方案。由于镅产生裂变反应的临界状态的质量只需铀和 钚的1%。因此其裂变极易发生,而且一经发生就会持续下去,这样就可以大大减少宇宙飞船需要携带的燃料。这不但缩短了宇宙飞行的时间,也降低了万一发生坠 毁事件时核污染的程度。使用镅的核火箭有望于2020年前后研制成功。

飞往火星:核裂变火箭重获新生


图11:科幻片《天地大冲撞》中”弥赛亚”核动力推进飞船模型

苏联的核技术与美国一直呈分庭抗礼之势。在1998年的科幻片《天地大冲撞》中,编剧安排俄罗斯人拥有一艘名为”弥赛亚”的核动力推进飞船。故事的 现实版本是,2005年俄罗斯科学家提出了使用核动力探索火星的新方案。根据这一方案,俄罗斯人有望于2017年向火星派出科学考察队。该方案使用的核火 箭将采用固体堆芯式核裂变火箭发动机。这种发动机的核心是一个小巧玲珑的核反应堆,用含铀235或钚239的浓缩物制成堆芯。启动时将液氢打进堆芯,液氢 受热后迅速变成摄氏几千度的高温气体,从尾喷口高速喷射出来,产生巨大推力。这种核发动机在技术更容易实现,也比化学火箭更经济。


图12:飞往火星的核火箭

若飞船以化学火箭推进,抵达火星需要9个月;以核火箭推进,速度可达每秒24千米两个月之内就能到火星。从长远看,核火箭还能推动载人航天器到太阳系空间遨游。但是用核动力火箭推动载人飞船,就必须高度重视核动力存在的安全隐患,特别是核辐射对宇航员健康形成的威胁。

正因如此,美国宇航局从2003年初开始研制的核动力火星飞船是不载人的。它也采用固体堆芯式核裂变火箭发动机。发射时先用化学燃料火箭将它送入800千米以上的绕地轨道后,核火箭才开始工作,推动飞船冲出地球引力范围,最终抵达火星。


图13:美国Sandia国家实验室,用来进行核聚变研究的”Z机器”

自从广岛与长崎之后,一个毁灭的梦魇就在人类头上挥之不去。掌握了如此巨大力量的人类将走上自我毁灭之路还是继续发展下去?有识之士通过开发核技术 的和平运用给出了自己的答案。戴森曾这样为猎户座计划的意义做告白:”我们第一次想到如何使用一大堆库存原子弹,但不是用来杀人,而是有更好的出路。我们 的目标与信仰,是用那些曾在广岛和长崎沾满血腥的原子弹,为人类敲开一扇通往苍穹的门窗。”

本文已发表于《科幻世界》2011年第6期

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