疯狂的梦想——核火箭发动机

文/ 张雪松

我们对原子能并不陌生，原子核裂变或聚变反应时释放出的能量，是燃烧等质量化学燃料放出能量的数百万倍。原子能早已在其他领域得到广泛应用，但航天领域使用却慎之又慎，以至于很少有人记得，当年美国曾疯狂追逐过极其危险的核火箭技术。

▲ 电推深空运输器

最初的梦想

美国制造原子弹的曼哈顿工程精英云集。1944年，两位科学家乌拉姆和霍夫曼提出了核热推进的概念，霍夫曼后来还推动过更疯狂的“猎户座”核弹推进项目。1947年，霍普金斯大学发布了研究报告，论述了核动力飞机和火箭等概念，北美公司同年发布了更详细的报告，进一步深入探讨核动力飞机和火箭的方案。1948年英国星际学会发表了“核火箭”的系列文章，第一次公开讨论核火箭的话题。

巴萨德冲压发动机是由美国物理学家巴萨德在1960提出来的。典型的巴萨德冲压发动机其实也是一种核聚变发动机。巴萨德深入研究指出，相比于常规火箭发动机2532米/秒的喷流速度，使用氢为工质的核热火箭能喷出6924米/秒的喷流，比冲提高了两倍还多！核火箭的前景相当诱人，不过它从概念变成现实，离不开军事需求的驱动。美军当时正在研制洲际导弹，但对普通燃料的火箭能否打出洲际射程心里没底，于是1955年美国原子能委员会开始研究核热火箭，“流浪者”（Rover）计划由此启动。1958年，宇宙神液体洲际弹道导弹圆满成功，美国空军顿时对危险的核热火箭失去了兴趣，但美国宇航局（NASA）接过这个烫手的山芋，希望用它来支持自己的星辰大海之梦。

疯狂的尝试

美国宇航局忙于追赶领先的苏联航天，更对先进的核热推进概念趋之若鹜。该局和原子能委员会联合成立了空间核推进办公室，同时启动了用核作为火箭发动机的计划（NERVA），其中美国宇航局负责发动机及其测试设施的研制，而原子能委员会专注于核热发动机的反应堆技术。NERVA项目得到了总统肯尼迪的大力支持，美国宇航局和原子能委员会决定在Rover计划的基础上全面推进NERVA核发动机的研制试验工作。

核热火箭发动机的原理并不复杂，它使用高温核反应堆作为热源，加热流过堆芯的氢作为工质，高温氢气从喷管喷出产生推力。Rover/NERVA直接使用反应堆加热氢气，反应堆的外形让我们倍感亲切：这不就是蜂窝煤么？核热火箭发动机看起来简单，但首先要使用武器级铀，其次如何保护堆芯也是个大问题。核反应堆一般使用石墨或重水作为慢化剂，而重水没法用于空间堆，而高温富氢的环境下，石墨会和氢反应生成甲烷等有机物。经过反复测试，美国人选择了耐高温和氢蚀的碳化铌和碳化锆作为保护层。然而这两种材料过于脆弱，核工程师绞尽脑汁之后，改用氢化锆做慢化剂才解决了这个问题。

▲NASA载人登火方案中使用核火箭的载人火星运输飞行器（对接了猎户座飞船）

洛斯阿拉莫斯实验室从Rover计划开始研制了KIWI为代表的空间核反应堆。为了减轻重量和体积，空间核反应堆使用90%以上丰度的浓缩铀235。这可是武器级核材料，换句话说这台核热火箭发动机相当于一枚小型核弹！KIWI A反应堆以70兆瓦运行了5分钟，后续的KIWI-A1和A3分别达到了85兆瓦和100兆瓦，至于更强大的KIWI-B系列更是达到了1000兆瓦级别。KIWI是新西兰特产的无翼鸟，暗喻这些反应堆只是地面测试，不会上天，然而地面测试也险象环生。从1961年12月7日到1962年11月30日，美国测试了KIWI-B1A、KIWIB1B和KIWI-B4A等，后两种方案只运行了几秒就出现堆芯损坏的严重故障，喷气出现了泄露的放射性同位素！洛斯阿拉莫斯实验室接下来进行了改进完善，研制了KIWI-B4D和KIWIB4E反应堆。它们的测试获得了成功，KIWI-B4E已经达到了1100兆瓦的功率。另外还进行了名为“KIWI-TNT”的破坏性试验，模拟反应堆超临界后爆炸的情况，证明耐热壳体破裂的损失和伤害并不大。最坏的情况也不过如此，核热火箭发动机曙光在前了。

▲ NERVA反应堆结构图，核蜂窝煤

计划赶不上变化

空间核推进办公室决定先采用研制推力34吨的核热火箭发动机方案，它的设计比冲825秒，是当时最好的氢氧发动机真空比冲的两倍。NERVA核发动机的推力和比冲决定了它需要超过1000兆瓦功率的核反应堆，KIWIB4E成为NERVA核热火箭发动机的起点。NERVA计划选中阿罗杰特公司和西屋公司为承包商，洛斯阿拉莫斯国家实验室提供技术支持。1965年4月NERVA核火箭试验（NRX）开始，而实用的核热发动机代号NERVA XE，截止1968年3月此款核热火箭发动机共进行了28次地面试车，地面试车中核热火箭发动机的推力、比冲都得到了证明，长程试车中发动机的可靠性也得到检验。NERVA XE最长进行了一个半小时的试车，把试验基地的液氢都用光了，但发动机并没有出现问题，更别说堆芯损坏的灾难性后果，核热火箭发动机触手可及了！

▲ 核火箭发动机

美国开展核热火箭发动机研究，瞄准的是未来的月球殖民和载人火星探测任务。NERVA研制的34吨推力核热火箭发动机仅仅是个开胃菜，Rover计划第二阶段还在研制性能更强的核反应堆。1965年洛斯阿拉莫斯实验室研制的“太阳神”（Phoebus）反应堆开始测试，1968年6月Phoebus2A地面测试时工作12分钟达到了4000兆瓦的功率，理论上可产生90吨级的推力！然而，核热火箭发动机的好运到此为止。1969年美国赢得了登月竞赛的胜利，随后美国国会大举削减航天预算，阿波罗17号之后的任务全被砍掉，土星5号火箭生产线也被关闭。没有土星5号重型火箭，NERVA连登场的机会都没有了。洛斯阿拉莫斯实验室在Rover计划下又研制了小型的京燕（Pewee）反应堆，但到1972年这个项目也被取消了。

▲ 测试中的Rover和NERVA发动机（左上是KIWI-A反应堆）

疯狂的落幕

20世纪80年代美国开始“星球大战”计划，核热火箭发动机以其高比冲的优点又得到了重视。美国空军从1987年到1991年间花费1.39亿美元实施Timberwind项目，计划研制小型核热火箭发动机。随后，美国空军的SNTP项目进行了进一步的研究。时隔20年后，随着高温材料、计算机模拟等技术的进步，新的核热火箭发动机重量仅有NERVA的不到1/4，但推力却超过它的1/3，比冲也提高到1000秒左右，然而这些项目都没有成功。

美国宇航局同样保持了对核热火箭的热情，不时提出基于核热火箭的载人火星探测方案，比如2009年的载人登火DRA5架构就以核热火箭技术为首选。最后，随着航天推进技术的进步，核热火箭的方案已经是回光返照了：美国宇航局未来载人火星任务方案以大功率太阳能电推（SEP）系统作为首选推进系统，SLS重型火箭发射的深空运输器（DST）使用大功率电推，其比冲是核热火箭发动机的三倍以上，又避免了发射和使用空间核反应堆的危险性。核热火箭发动机颇具“暴力美学”，但它落后于时代，只能黯然退幕了。★