离不开地面的“几维鸟”

文/ 李嵩

1962年9月，时任美国总统约翰·肯尼迪在赖斯大学的演讲中，发表了著名的《登月宣言》，“我们决定在这10年间登上月球并实现更多梦想，并非它们轻而易举，而正是因为它们困难重重。”当年，美国宇航局的太空计划可谓雄心勃勃，肯尼迪口中的更多梦想，除了载人登陆火星和建立月球永久基地，甚至还包括“到达太阳系的边缘”。

雄心勃勃的“火星计划”

冯·布劳恩在早年发表的一本小册子《火星计划》中，对人类登陆火星的方案进行了详细的规划和论证。受困于化学能火箭的低效，布劳恩的地球到火星之旅单程就长达8个月。每个航天员都要携带12吨氧气、8吨食物和13吨饮用水，除了要承受长期狭小空间内的幽闭，还不得不直接暴露于或许会致命的宇宙辐射中。

为了能在1978年实现载人登火的目标，美国宇航局把目光投向了热核火箭。用核反应堆代替化学燃料的燃烧来对工质加热，将可以使火箭发动机在消耗更少燃料的情况下，获得更大的速度增量，从而将地球到火星的飞行时间缩短一半以上，甚至有希望在100天以内就完成旅程。这既意味着可以砍掉很多供航天员维生的物资重量，也将大幅减少航天员在宇宙辐射中暴露的时间。最关键一点，热核火箭的出现，将使人类不必再等待26个月才出现一次的霍曼转移轨道周期，地火之间的飞行窗口将有更多的灵活性。

▲ 几维鸟-B4A发动机

应运而生的热核火箭

除了“火星计划”，美国宇航局还计划让热核火箭在建设驻月球永久基地和“土星5号”发展型中扮演重要角色。为了加速热核火箭的研究，美国宇航局和原子能委员会联合成立了航天核推进办公室，协同领导热核火箭的研发工作，其中原子能委员会负责核反应堆的部分，其余非核部分由美国宇航局负责。

▲ 没有翅膀的几维鸟

航天核推进办公室选择了洛斯阿拉莫斯实验室承担热核火箭的原理性研究工作，他们之前在美国空军核动力飞机的小型核反应研制中积累了相当丰富的经验，为了对比不同工质、结构和循环方式的优缺点，洛斯阿拉莫斯实验室的工程师们建造了大大小小的十几个核反应堆开展了广泛的实验，想要摸索出一种理想的热核火箭构建方式。他们给地面试验用的热核火箭发动机起名叫做“几维鸟”，这种小鸟是新西兰的特有物种，身材小巧而粗短，外形上和热核火箭的样子很吻合，但又因为天生无翼，只能在地上奔跑，这似乎也预示了整个计划的最终结局。

1962年9月1日，在美国内华达州沙漠深处，“几维鸟-B1B”反应堆被激活，液氢作为推进剂和冷却剂流进堆芯，与2000摄氏度的燃料棒接触后被迅速加热，并加速喷出。但当反应堆功率提升到900兆瓦后不到一分钟，反应堆就出现了结构破坏，二氧化铀和放射性同位素跟着工质一起被排入了大气，试验即刻中止，人类核动力航天的序幕才刚徐徐拉来就又被合上了。由于在之后的几次试验中又连续发生了诸如反应堆解体喷出、融堆等恶性事故，在之后举行的预算听证会上，出于安全性的考虑，核火箭项目被勒令停止后续的飞行试验计划，而只进行地面测试和试验。

为了回答安全性的质疑，洛斯阿拉莫斯实验室专门进行了一次“几维鸟-爆炸”试验，反应堆在超临界状态下仅用156毫秒就发生了爆炸，但并不是核爆炸，核裂变高温汽化的石墨仅仅炸飞了反应堆的外壳，现场看起来仅是一场大型烟花秀，而没有出现壮观的蘑菇云。

生不逢时的“几维鸟”

回答了安全性的问题，洛斯阿拉莫斯实验室的工程师在结构设计和减少燃料棒腐蚀方面取得了重大技术突破，使“几维鸟”反应堆具备了参加“反应堆-发动机”地面联合试验的条件。

▲ “几维鸟”反应堆爆炸试验

▲ NERVA发动机样机

1964年，旨 在 开 发 以“几 维鸟-B4E”反应堆为热力核心的火箭发动机原型机计划——“火箭运载器应用核发动机”（NERVA）项目正式启动，美国宇航局选择了航空喷气和西屋两家公司作为承包商承担研发任务，而洛斯阿拉莫斯实验室则继续在“几维鸟”基础上进行下一代核反应堆的研制。

NERVA发动机在运行时，加压的液氢燃料由贮箱流出，被燃料泵再次增压后进入喷管壁面的冷却通道，吸热升温，之后除一小部分用来驱动涡轮泵之外，大部分氢燃料进入反应堆与压力容器外壳之间的反射层内，冷却反射层和置于其中的控制棒，吸收大量热的同时汽化膨胀，最后由喷管喷出，产生推力。

NERVA发动机全高6.7米，外观看起来和一般的火箭发动机并没有太大区别，只是用一个柱状的反应堆压力外壳取代了燃烧室，驱动涡轮泵的循环方案选择了开式热循环，这样可以独立开发和测试涡轮泵系统而无需和整个系统整合，这主要是顺应发动机各系统独立开发再逐渐加入系统联试的模块化研制方式，这样可以降低研制风险，提升安全性。

▲ NERVA发动机内部结构图

▲ 系统联试状态的NERVA发动机

▲ 联试状态发动机外壳内设备情况

▲ 完整状态NERVA发动机参试状态

NERVA发动机第一阶段的前两次试验都以测试核反应堆性能为主，1966年2月在之前“核反应堆试验”发动机基础上加入了涡轮泵系统，进行了一次比较完整的系统联试，试验中涡轮泵和反应堆都可以按照要求多次重复启动，在整个将近2小时的运行期间，在很宽的范围内发动机都可以稳定工作，各部件的耐久性得到了充分验证。“几维鸟”反应堆全功率运行了28分钟，创造了新的反应堆运行时间记录。

▲ 完整状态NERVA发动机内部结构图

1969年，NERVA发动机迎来了第一阶段的大考，在这次完整状态发动机试验中，几乎全部发动机子系统都具备了实际飞行状态，发动机在没有外部供能的情况下自行启动，并经受了各种可能的飞行条件的考核，反应堆受控重复启动了28次，完全验证了所有设计功能，展现出了远超氢氧火箭发动机的强悍性能，并在稳定运行115分钟后关闭。试验的成功证明了NERVA发动机已具备了太空飞行的能力，并且其比冲（火箭发动经济性能指标）超过氢氧发动机2倍以上，一个由热核火箭驱动的太阳系大航海时代似乎即将到来。

但随着美国国内政局和舆论的快速转向，美国宇航局的预算被大幅缩减，“火星计划”和“月球基地”项目被砍，“土星5号”火箭生产线被关闭，NERVA发动机一下子失去了应用目标，被裁撤就变成了顺理成章的事情。洛斯阿拉莫斯实验室对小型核反应堆的研究则坚持到了1972年，也不得不终止，没有翅膀的“几维鸟”虽然拥有了核的心脏，最终也没有能够离开地面。★