核動力火箭征服太空

peter9046

早在20世紀初，得知居裏夫婦提煉出放射性元素鐳之後，俄國航天之父齊奧爾科夫斯基就預言："壹噸重的火箭只要用壹小撮鐳，就足以掙斷與太陽系的壹切引力聯系。"
那時科幻作家給予這種新能源以充分的關注。H.G.威爾斯在1914年出版的科幻小說《獲得自由的世界》中設想了核武器運用在戰爭中給人類造成的苦難。1926年，雷金納德-格羅索普在科幻小說《太空孤兒》中第壹次將原子能與煉金術聯系在壹起。 但只有科學家在1938年發現了核裂變的秘密後，核武器及核動力才有可能成爲現實。

圖1：原子彈爆炸
1944年，德國的火箭武器V-2飛彈首次襲擊倫敦；1945年，原子彈成爲現實。火箭與核動力在20世紀中葉壹直是科幻作家鍾情的主題，有識之士已經把二者結合在壹起。 阿西莫夫在《基地》系列《市長》（1942年初次發表時名爲《籠頭與馬鞍》）壹篇中設想，銀河邊緣的星區文明衰落了，原子能源被遺忘，科學漸漸變成了神話。掌握原子能的科學家變爲神職人員壹樣角色。在那個小王國合縱連橫的時代，驅動兩英裏長皇家旗艦的是"原子反應爐"。這種驅動太空戰艦的原子反應爐也就是我們下面要介紹的核動力火箭。
"獵戶座"乘原子彈上天20世紀50年代，核電站、核動力船舶、核動力飛機等技術設想層出不窮。大膽的科學家把目光投向了美國和蘇聯逐漸膨脹的核武庫，他們打算把這些核彈作爲火箭燃料，推進飛船飛向遙遠太空。這個鑄劍爲犁的計劃就是"獵戶座核火箭計劃"。
核火箭的技術論證最早出自美國核科學家烏拉姆。其原理是使壹顆顆小型原子彈在飛船尾部相繼爆炸而産生反作用力推動飛船前進。如果每顆原子彈的爆炸當量爲1000噸TNT，估計爆炸50顆原子彈後飛船速度可達12千米/秒。1958年，美國核科學家泰勒在此基礎上提出了"獵戶座"計劃。按照泰勒的設想，每顆原子彈的爆炸當量爲2000噸TNT（在大氣層外），爆炸50顆這樣的原子彈後，飛船的最大速度可達70千米/秒。該火箭可以用來發射大型載人行星際飛船，可以用125天飛到火星，用3年時間飛到土星。

圖2：獵戶座火箭外形
泰勒在美國核武器研發機構洛斯阿拉莫斯的專業是核武器效用，他是核彈小型化方面的專家。他也了解成型爆破技術，即如何控制爆炸碎片精確定向。泰勒采納了烏拉姆的"推進盤"構想，把推進物和核彈組合在壹起，成爲壹個脈沖單元。根據泰勒的設想，獵戶座計劃中的飛船將攜帶數千枚小型核彈，當飛船需要動力時，宇航員就從船尾釋放出壹顆原子彈，接著再釋放出壹些由含氫塑膠制成的固體圓盤，當飛船駛出壹定距離，原子彈將在飛船後面爆炸，瞬間將塑膠圓盤蒸發，將其轉化成高熱的等離子體。這些等離子體會向四面八方沖擊擴散，其中壹些將會追上飛船，撞擊飛船尾部巨大的金屬推進盤，從而推動飛船高速行駛。飛船上還設計了壹個震波吸收系統，可以把沖撞到金屬推進盤上的能量儲存起來，並逐漸釋放出去。

圖3：核裂變原理
由于不清楚飛船尾部的巨大推進盤是否會被核爆炸後産生的高溫等離子體熔化或腐蝕，科學家用氦離子發生器進行了模擬測試。通過試驗發現，瞬間高溫的等離子只會對金屬推進盤表面産生輕微的腐蝕，其程度甚至可以忽略不計，沒必要設計專門的冷卻系統，並且普通的鋁和鋼就足以做爲制造金屬推進盤的材料。
獵戶座計劃的工作者們建造了壹系列模型，用以測試鋁制的推進盤能不能承受化學爆炸的瞬間高溫高壓。壹些模型在實驗中被毀，但是1959年壹個火箭模型使用6個普通炸彈成功地飛行到了100米的高度，證明了脈沖推進是能夠穩定飛行的。這次試驗也證明，推進盤應該是中間最厚、向邊緣逐漸變薄的形狀，才能達到最高強度和最低重量。
根據計劃，獵戶座火箭將從美國內華達州傑克斯平地核試驗場發射升空，整個火箭和飛船加在壹起有16層樓高，外形像壹顆鈍頭子彈。飛船尾部的推進盤直徑達41米，發射平台由8個高達76米的發射塔組成。在起飛階段以每秒壹枚的速率引爆100噸TNT當量的小型原子彈；而當飛行器達到壹定速度後，引爆速率將下降到每10秒壹枚，不過這時抛出的將是2萬噸當量的核彈。這個方案要求火箭壹直垂直向上飛行直至沖出大氣層（化學能火箭通常在大氣層內壹定高度就開始轉向），這樣可以使放射性沾染降到最低。當火箭被發射升空後，它的尾部每10秒鍾就要爆炸壹顆相當于2萬噸TNT當量的小型原子彈。

圖4：獵戶座火箭在核爆炸中飛上天空
現在看來，獵戶座計劃幾乎沒有任何明顯的技術缺陷。然而，它卻有壹個最大的弱點，那就是它依賴于原子彈爆炸做動力。當它在大氣層內飛行時，必將釋放出核輻射塵汙染地球環境。這也正是獵戶座計劃最終沒能實現的原因之壹。
曾參與"獵戶座"計劃的物理學家弗裏曼-戴森和他的夥伴通過計算表明，"獵戶座"火箭發射造成的環境汙染不會超過核試驗的百分之壹。但這百分之壹卻改變了科學家們的抉擇——"獵戶座"火箭每壹次升空釋放出的放射性廢料及落塵對地面生物的影響，大約會造成0.1-1個人死于癌症。和平主義者戴森後來回憶說："壹想到我做的事是在現有（放射性）落塵量上增加百分之壹，我（對核火箭）的熱情便不由得冷卻下來。"

圖5：獵戶座火箭沖出大氣層
1963年簽署的《禁止在大氣層和外層空間進行核試驗條約》從法理上宣判了任何在大氣層內點燃的核火箭爲非法。1965年，"獵戶座"計劃研究終止。該計劃雄心勃勃的口號"1965年到達火星，1970年到達土星"永遠沒能實現。好在這個光輝的想法在科幻中獲得了新生。在科幻電視劇《星際迷航》第壹季（1966-1969年播出）裏有壹集名爲"世界是空的，我摸到了天空"，講述了壹個種族將壹顆鐵質小行星掏空改造爲世代飛船，運用獵戶座式的核彈脈沖發動機，在太空中前行了30光年，曆時壹萬年。
在接下來的歲月裏，經曆過三裏島、切爾諾貝利等核事故的公衆，對在太空計劃中采用有潛在核汙染可能性的核火箭持保留態度。核火箭的舞台，只能從更遙遠的深空找尋。
飛向恒星：代達羅斯計劃
圖6：代達羅斯飛船
"代達羅斯計劃"是英國星際學會在1973至1978年之間倡導的研究計劃，提出使用核聚變火箭推進的無人飛船對另壹個恒星系統進行快速的探測。該計劃設想在壹個人的有生之年——50年——之內，抵達另壹顆恒星。距地球6光年的巴納德星被選擇爲該計劃的目的地。
根據上述要求，火箭工程師阿蘭-邦德率領的13人研究小組提出了核聚變火箭的構思。它的核聚變火箭不是在像獵戶座那樣在外部爆炸原子彈，而是依靠內部的發動機，在壹個磁場構築的"燃燒室"中，向核燃料球發射電子束，産生離子。用磁場限制等離子體的辦法維持持續的核聚變。這將比獵戶座計劃的核裂變更高效，因爲獵戶座計劃中原子彈的大部分爆炸能量都沒投射到船體上轉化爲動力。

圖7：核聚變原理
設計中的代達羅斯火箭比獵戶座火箭更加龐大。雖說是壹台無人飛船，但這個無人飛船重達5.5萬噸，相當于半艘尼米茲級核動力航空母艦的重量。長度達到190米。這是壹艘真正的星際飛船，其中5萬噸都是燃料的重量。科學儀器重量只有區區的500噸。因爲實在太大，無法壹次發射到太空中，這台探測器只能在地球軌道上利用微重力環境組裝。代達羅斯火箭由兩部分組成，第壹級火箭工作2年，把飛船加速到光速的7.1％。之後第二級火箭工作1.8年，把飛船加速到光速的12％，然後關閉發動機，在茫茫太空中依靠慣性滑行46年，最後到達目的地。因爲在太空中要經受住極低溫的考驗，飛船外殼大量使用了铍，使飛行器在低溫中仍然能保持結構強度。

圖8：代達羅斯飛船設計圖
火箭的核聚變燃料由氦-3和氘構成，氦-3是氦的壹種同位素，原子核裏有兩個質子和壹個中子。地球上沒有氦-3，爲了獲取代達羅斯飛船需要的3000噸氦-3，當時科學家們設想在木星的衛星上建立飛船組裝基地，將在地球上制造的飛船部件，運到這個基地組裝，並利用木星上豐富的氦資源來制造氦-3燃料。當然，現在已經探測到月球表面也有大量氦-3，所以不必舍近求遠了。至于氘（氫的壹種同位素），可在地球的海水中提取。
代達羅斯的推進系統是核聚變脈沖火箭，它巧妙繞開了1963年的部分禁止核試驗條約。代達羅斯所依賴的聚變脈沖對環境影響小，不受條約限制。按照設計，氘和氦-3組成的混合燃料球由高能電子束在慣性約束反應室中點燃並爆發，爆發産生的離子氣在磁場的約束下以每秒1萬千米的速度排出船尾，以作爲動力的來源。每秒代達羅斯需要消耗250個燃料球。
1978年，英國星際學會公布了代達羅斯計劃的最終方案。該計劃給出了有史以來第壹份詳細的核動力飛船設計圖，旨在論證可能性。但直到今天，代達羅斯所需要的大量核心技術仍是紙上談兵，沒有核聚變火箭，沒有木星開采技術，在軌道上建造幾萬噸的航天器也近乎天方夜譚--只有區區300多噸的國際空間站就花費了20年時間進行組裝建設。

圖9：科幻片《沖出甯靜號》劇照，劇中飛船使用核聚變發動機
項目的花費也是大問題。將幾萬噸的載荷發射進入地球軌道所需要的費用已經是天文數字了，何況代達羅斯用到的金屬铍開采提煉均非易事，故而每公斤價格高達幾百至上千美元。單單是代達羅斯的偏轉罩就需要50噸的铍。因此這樣的計劃就算真的要變成現實，也必然會以大型國際合作項目的面目出現。即便如此，代達羅斯計劃仍是目前研究論證最完備的核聚變火箭計劃。它的構想影響了許多科幻影片：從《異形》到《阿凡達》，從《Wall-E》到《沖出甯靜號》，這些影片無壹例外都把核聚變發動機作爲推動龐大飛船的"常規"推進方式。
核汙染：核火箭不能承受之重核火箭無疑是解決宇宙航行動力問題的重要發展方向。但是在公衆眼中，核能總像壹把雙刃劍，在釋放巨大力量的同時，也隱含著巨大的危險。
核火箭最大的隱患是核輻射。泄露核輻射對宇航員健康可能造成威脅。如果屏蔽不好，核火箭飛船內的輻射量相當于宇航員每天要做8次X線胸部透視，較長時間的作用會對宇航員的身體造成嚴重的傷害。
曆史上曾有多顆核動力衛星失靈對地面産生威脅，這些都是未來核火箭的前車之鑒。2009年2月10日，美國 "銥-33"通信衛星和已經停止工作的俄羅斯"宇宙-2251"在北西伯利亞上空發生碰撞。"宇宙-2251"攜帶有核動力裝置，此次碰撞形成了具有潛在核輻射危險的太空碎片。目前，使用核電源的30顆俄羅斯衛星和7顆美國衛星運行在距離地球800千米到1100千米的軌道上，在那裏相似的碰撞還有可能發生。這麽多衛星意味著大約40次的"潛在核爆炸"。如果其中任壹衛星碰到太空垃圾碎片，它將減速並最終重返大氣層，在地球上空和地面釋放輻射。

圖10：核動力火箭如果在地球附近爆炸，會對地面造成核汙染
自從1978年蘇聯核動力衛星"宇宙-954"在加拿大墜毀並造成地面核汙染以來，聯合國負責和平利用外太空的科學與技術委員會壹直在關注太空核反應堆的應用。它的調查構成了聯合國會員大會1992年12月通過的名爲"關于在外太空使用核動力電源的原則"決議的基礎。根據決議，只有當它們的應用絕對必需之時，核反應堆才可以被用于外太空，並且在太空任務完成之後，裝備了核反應堆的衛星應該被置于足夠高的軌道，在那裏對現有和未來的外太空任務的威脅和與其他外太空物體碰撞的概率都很小。
在世紀之交，壹些國際科學團體認定，沒有核發動機和核反應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際飛船，並爲飛船上的設備提供能量。因此，必須找到壹種方法來確保核裝置的輻射安全。高效核燃料镅的出現，催生了核動力飛行的壹種最新方案。由于镅産生裂變反應的臨界狀態的質量只需鈾和钚的1％。因此其裂變極易發生，而且壹經發生就會持續下去，這樣就可以大大減少宇宙飛船需要攜帶的燃料。這不但縮短了宇宙飛行的時間，也降低了萬壹發生墜毀事件時核汙染的程度。使用镅的核火箭有望于2020年前後研制成功。
飛往火星：核裂變火箭重獲新生
圖11：科幻片《天地大沖撞》中"彌賽亞"核動力推進飛船模型
蘇聯的核技術與美國壹直呈分庭抗禮之勢。在1998年的科幻片《天地大沖撞》中，編劇安排俄羅斯人擁有壹艘名爲"彌賽亞"的核動力推進飛船。故事的現實版本是，2005年俄羅斯科學家提出了使用核動力探索火星的新方案。根據這壹方案，俄羅斯人有望于2017年向火星派出科學考察隊。該方案使用的核火箭將采用固體堆芯式核裂變火箭發動機。這種發動機的核心是壹個小巧玲珑的核反應堆，用含鈾235或钚239的濃縮物制成堆芯。啓動時將液氫打進堆芯，液氫受熱後迅速變成攝氏幾千度的高溫氣體，從尾噴口高速噴射出來，産生巨大推力。這種核發動機在技術更容易實現，也比化學火箭更經濟。

圖12：飛往火星的核火箭
若飛船以化學火箭推進，抵達火星需要9個月；以核火箭推進，速度可達每秒24千米兩個月之內就能到火星。從長遠看，核火箭還能推動載人航天器到太陽系空間遨遊。但是用核動力火箭推動載人飛船，就必須高度重視核動力存在的安全隱患，特別是核輻射對宇航員健康形成的威脅。
正因如此，美國宇航局從2003年初開始研制的核動力火星飛船是不載人的。它也采用固體堆芯式核裂變火箭發動機。發射時先用化學燃料火箭將它送入800千米以上的繞地軌道後，核火箭才開始工作，推動飛船沖出地球引力範圍，最終抵達火星。

圖13：美國Sandia國家實驗室，用來進行核聚變研究的"Z機器"
自從廣島與長崎之後，壹個毀滅的夢魇就在人類頭上揮之不去。掌握了如此巨大力量的人類將走上自我毀滅之路還是繼續發展下去？有識之士通過開發核技術的和平運用給出了自己的答案。戴森曾這樣爲獵戶座計劃的意義做告白："我們第壹次想到如何使用壹大堆庫存原子彈，但不是用來殺人，而是有更好的出路。我們的目標與信仰，是用那些曾在廣島和長崎沾滿血腥的原子彈，爲人類敲開壹扇通往蒼穹的門窗。"

rooneyhk123

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juneway

外星人說：“不好，那班孩子找到火柴了（人類發現核子）”。