大有前途的核动力火箭

■ 高峰

近日，美欧宣布在ExoMars火星生命探测计划上展开合作。

ExoMars探测器是欧洲航天局于2005年决定研发的火星生命探测航天器，原计划2011年进行发射。但后来，这项计划在实施过程中遇到许多难题，致使发射时间一再推迟。其中一直困扰着欧洲航天局的难题就是发射和动力装置问题，于是便想到了与NASA实现合作。

NASA从2003年初就开始研制核动力火星探测器。探测器发射时先由多级化学运载火箭将其送入800千米以上绕地轨道运行后，核火箭才开始工作，推动探测器冲出地球引力范围并按预定轨道在太空高速飞行，最终抵达火星进行绕飞探测或着陆考察。

虽然美欧合作研发核动力火星探测器的具体细节尚未透露，但是采用核火箭来进行推动的方案并未变动。其关键技术之一就是核火箭的研制问题。

核火箭发动机是利用核反应或放射性衰变释放的能量加热工作介质，使工质通过喷管膨胀后高速排出产生反作用推力的。这种发动机性能高、速度快、寿命长，但技术复杂，只适用长期飞行的航天器。研制中存在的主要问题是：辐射防护、排气污染、反应堆的控制以及高效率换热器的设计等。

根据核能释放方式的不同，核火箭发动机可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。放射性同位素衰变火箭发动机的工作原理是将放射性同位素衰变产生的射线转变成热能，再加热工质形成推力，适用于0.1千克以下的低推力状态，不能用作火星探测器的动力装置。核聚变火箭发动机的工作原理是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量加热工质产生推力的，因为核聚变的控制问题尚未解决，所以，这种发动机仍处于理论阶段。由此可见，美国自行研制的核动力装置只能是核裂变火箭发动机。

按照核反应物质的状态不同，核裂变分为固体堆芯和气体堆芯二种，其工作原理都是利用重原子核裂变释放出大量能量加热工质产生推力的。虽然气体堆芯式核裂变火箭发动机性能更为优越，但由于还存在大量的技术难题，因此目前美国研制的用于火星探测器的核动力装置是固体堆芯式核裂变火箭发动机。

固体堆芯式核裂变火箭发动机发展较早，主要由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。反应堆通常用含铀235或钚239的浓缩物制成，工作时发生核裂变产生热能，加热工质。输送系统将工质先送入喷管冷却套冷却推力室，然后进入核反应堆加热，最后通过喷管膨胀加速排出，从而产生推力。控制系统调节工质的流量和控制核反应的功率，以使发动机的推力能满足实际飞行的需要。固体堆芯式核裂变火箭发动机不仅能长期工作，而且还能提供更高的速度（秒速可达24.17千米）。探测器以核火箭提供的高速飞行，抵达火星的时间则可缩短到2个月。从长远看，核火箭还能推动载人航天器到太阳系空间遨游并送航天员在可以登临的星球上进行着陆考察和开展科学研究。

若要实施核动力火星载人飞船方案，由于要携带航天员及其所需的生活用品和工作设备，航天器重量增加较多，肯定还要进一步提高核动力火箭发动机的推力。同时核动力存在的安全隐患必须引起高度重视，特别是核辐射对航天员健康造成威胁的问题亟待解决。因为核动力火箭飞船内的辐射量相当于每天做八次X光透视，会对人的身体带来损害。由此可见，核动力火星载人飞船比核动力火星无人探测器要复杂得多。而且，若要发展先进的、大推力高推重比的、可用于单级入轨的大型核动力火箭发动机，还需要解决更多的技术难题。假若这一设想变为现实，那将是航天运载工具史上的一大飞跃。