核动力火箭项目的成果

文/ 松堂

虽然由于预算消减和重点转移等一系列原因，美国早期的核动力火箭研究项目最终被取消，但是这个项目本身还是取得了丰硕的成果。

“漫游者计划”

“漫游者计划”项目包括3个主要阶段：“猕猴桃”（1955年至1964年）、“菲布斯”（1964年至1969年）和“佩维”（1969年至1972年年底项目取消）。计划中的核反应堆是在洛斯阿拉莫斯的帕贾里托基地组装的。实际上，工程师们为每台发动机建造了两个反应堆，一个用于在洛斯阿拉莫斯进行的“零功率临界”试验，另一个用于在前内华达州沙漠试验场（现内华达州国家安全试验场）进行全功率试验。发动机的燃料和内部发动机部件是在洛斯阿拉莫斯的西格玛工厂制造的。

后来担任国家核安全局核试验办公室主任的罗伯特·汉拉汉曾经参与了“漫游者计划”，从他为媒体提供的档案照片上看，猕猴桃-A和菲布斯-1核反应堆的体积都相当紧凑，放在家里取暖显然是太大了，但是装进重型火箭里肯定是没问题的。菲布斯-1核反应堆现在位于内华达州拉斯维加斯的原子能测试博物馆内。

核动力火箭发动机

1961年，美国宇航局和原子能委员会开始了第二个核火箭项目，名为NERVA，意思就是“核动力火箭发动机”，利用科学家在设计、建造和测试探测器研究项目反应堆时获得的知识，来开发实用的火箭发动机，使其能够经受住航天发射的冲击和振动。从1964年到1969年，西屋电气公司和阿罗杰特-通用公司团队在NERVA项目下分别建造了几种反应堆和火箭发动机。

▲ NERVA核动力发动机

▲ 技术人员在J-1试验台检查实验用铜喷管，以研究核火箭喷管的传热特性

▲ 猕猴桃-A原子反应堆

1969年，NERVA项目所取得的进展和成功让沃纳·冯·布劳恩大感欣慰。这位当时担任美国宇航局米歇尔航天飞行中心主任的德国人提出了自己的狂想：用两枚火箭发射飞船，向火星着陆12名考察队员，每枚火箭由3台NERVA发动机驱动。按照他的计算，如果火箭在1981年11月发射，1982年8月就能登陆火星。

尽管这次任务并没有真的实施，但在此期间的测试发现，NERVA核动力火箭发动机几乎符合美国宇航局的所有规范要求，包括推力、推重比、比冲、发动机重启能力和发动机寿命。到1972年，当“漫游者”/NERVA项目被取消时，唯一没有完成的测试项目就只剩下重启60次且总共运行10小时。

而且，项目中有一台发动机的性能超过了NERVA的任务要求。洛斯阿拉莫斯国家实验室设计、制造和测试的菲布斯S-2A发动机可产生高达4000兆瓦的热功率，是当时最强大的核推进反应堆。

核热反应堆

▲ 在B-1试验台安装猕猴桃B-1B核发动机，以研究其在初始启动阶段的性能(1963-11-4).

在“漫游者计划”/NERVA项目期间，科学家们对核动力火箭发动机进行了22次大型试验。其中许多试验探索了用反应堆驱动火箭出现复杂问题时的潜在解决方案。为了生产出实用的火箭，必须解决材料稳定性、相容性和腐蚀性方面的重大问题，这比在地球上运行的核反应堆复杂多了。

空间推进和地面核电站的反应堆，其间的主要区别是堆芯的温度。在核动力火箭反应堆中，温度必须尽可能高才能达到最佳性能。因此，“猕猴桃A”试验的堆芯温度高达2683开尔文（开尔文是绝对温标，把摄氏温度减去273.15就得到了以开尔文计量的温度），而核电站用压水堆的堆芯温度仅为600开尔文左右。

核动力火箭反应堆和核电站反应堆的一个主要区别是冷却系统的工作介质。核火箭使用氢，而发电厂用水。氢是核动力火箭最好的推进剂气体，然而，在如此高的温度下使用氢气带来了许多挑战。

▲ 猕猴桃火箭发动机剖面图

▲ 猕猴桃核反应堆电源在内华达沙漠被故意破坏，以模拟发射失败的影响

▲ 在测试单元中的猕猴桃发动机

▲ 制造车间的技术人员在真空炉中检测猕猴桃B-1喷管，以便在B-1试验台上进行试验

堆芯最重要

所有的“漫游者计划”/NERVA项目反应堆都有堆芯。研究人员为核动力火箭推进设计了液冷和气冷两种反应堆，甚至对这些设计的部件进行了小规模试验，但只建造了核反应堆堆芯的固体部分。很少有材料能够在核动力火箭反应堆的堆芯温度下保持固态。从结构上讲，一些具有高熔点的金属和陶瓷（所谓的“难熔”材料）可以用来建造堆芯，但到底选择什么材料，取决于它们与中子的相互作用。

▲ 在这个三级核火箭中，航天员将被安置在上面一级，用屏蔽隔板将他们与发动机隔开

例如，钨作为熔点最高的金属，在3695开尔文时会强烈吸收中子，特别是“慢”中子，其能量远小于一个电子伏。因此“漫游者计划”项目的堆芯使用钨作为燃料基材。然而，钨材料的加工技术在当时还不够成熟，超出了该计划的范畴。因此，“漫游者计划”计划将重点转向石墨核反应堆。

石墨是碳的结晶形式，在高温下表现良好，因为它是所有元素中熔点最高的。石墨不仅能在高温下保持其强度，而且实际上强度会更大。石墨长期以来一直被用于各种高温工业应用。因此，科学家开始考虑将其用于“漫游者计划”的反应堆。

▲ NERVA 核动力火箭发动机点火

世界上第一个裂变反应堆和许多后继的反应堆都是用石墨砖作为堆芯的，铀棒分散地插进堆芯。石墨具有良好的中子学性质，是良好的弱中子吸收体、良好的中子反射体和慢化剂。然而，普通的石墨反应堆永远不会遇到核火箭那种极端条件。把石墨堆装进火箭会发生什么事情，人们当时不得而知。

科学家们很早就怀疑，石墨在用于核动力火箭反应堆时可能会造成严重的问题。因为这种火箭最好的推进剂气体是氢。在“漫游者计划”项目的发动机中，大量的氢从储罐中喷射出来，经过一些反应堆部件，然后以很高的压力通过反应堆堆芯内核燃料棒之间的通道。这一过程让氢达到很高的温度，迅速腐蚀了反应堆中的石墨。

为了防止石墨被腐蚀，科学家在氢管道的内表面涂上了一层薄的碳化铌（NbC）薄膜。

任务取消

▲ NERVA当年的控制室

▲ F站曾用来研究核火箭发动机热交换器

▲ 1967年初，菲布斯1B型核动力火箭发动机被移至试验场

美国航天局对NERVA的计划，包括1979年访问火星、1981年建立永久性月球基地。NERVA火箭将作为核动力“拖船”，用于将有效载荷从低地球轨道转移到更高、更远的轨道，此后将作为空间运输系统的一部分而存在。NERVA火箭还将用来改造土星火箭，替换原来的化学燃料发动机，这样就能够向低地球轨道发射154吨的有效载荷。

事实上，“漫游者计划”项目取得的成果远不止前面所列举的这些，但是在1973年，“漫游者计划”/NERVA项目被取消了。尽管这个项目本身非常成功，但后来阿波罗的载人航天任务几乎被砍光了。美国国会认为，载人火星任务成本太高，为这一项目提供资金，将迫使美苏之间继续开展代价高昂的“太空竞赛”，这是美国无法承受的。其实，当NERVA被取消时，NERVA-2已经达到了任务的所有目标，有两台发动机已经装进了火箭，但核动力火箭再也没有得到运送航天员执行太空任务的机会。

在研制当中，“漫游者计划”/NERVA取得了以下记录：

4500兆瓦的热功率；

3311开尔文排气温度；

113千牛推力；

850秒比冲；

90分钟的燃烧时间；

推力重量比为3:4。

除了证明核空间推进的可行性之外，“漫游者计划”/NERVA项目人员还发表了大约100篇技术论文，涉及石墨、石墨粉和其他形式的碳特性。该计划还产生了几个重要的副产品，包括室温石墨制造工艺和用金属碳化物薄膜覆盖石墨的方法。

此外，用热解石墨包覆碳化铀粒子的技术最终导致了现在用于商业高温气冷反应堆发电的TRISO燃料球。然而，该计划最重要的附带产品是热管。

热管目前是洛斯阿拉莫斯研究计划的核心之一，称为热管动力系统（HPS）反应堆，利用热管将堆芯的热量传递给热电元件或热机。