文/ 張雪松

▲ 克爾德什

空間活動能力的核心是推進(jìn)系統(tǒng)，而推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的比沖量，直接決定了空間活動的范圍和規(guī)模。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)受到推進(jìn)劑能量的限制，高能氫氧推進(jìn)劑的理論最大比沖也只有520秒，實(shí)用氫氧發(fā)動機(jī)更是只有465 秒。相比化學(xué)能推進(jìn)劑，核物質(zhì)蘊(yùn)含的能量要高得多，核火箭發(fā)動機(jī)能實(shí)現(xiàn)更高的比沖，具有光明的應(yīng)用前景，核火箭發(fā)動機(jī)也得到了航天強(qiáng)國的高度重視。

核熱火箭發(fā)動機(jī)的倡議

美國工程師斯塔尼斯拉夫·烏拉姆，在參與曼哈頓工程的1944 年就最早提出了核熱火箭的概念，蘇聯(lián)人不久后也提出了類似的概念，美蘇兩國都不約而同地付諸實(shí)施。

1954 年秋，美國空軍委托原子能委員會論證和研究核熱火箭發(fā)動機(jī)，最初計(jì)劃作為洲際導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)，后來應(yīng)用于運(yùn)載火箭和深空探測器。1955 年，蘇聯(lián)科學(xué)院院士、后來成為蘇聯(lián)科學(xué)院院長的姆斯季斯拉夫·克爾德什也倡議研制核火箭發(fā)動機(jī)，蘇聯(lián)科學(xué)家和工程師們拿出了多個(gè)理論設(shè)計(jì)方案，積極向領(lǐng)導(dǎo)人推薦這種革命性的高性能火箭發(fā)動機(jī)。

面對美國研制核熱火箭發(fā)動機(jī)的動向，以及蘇聯(lián)本國科學(xué)家的大力呼吁，1958 年蘇聯(lián)部長會議正式通過了研制核熱火箭發(fā)動機(jī)的決定。首提核熱發(fā)動機(jī)倡議的克爾德什院士，蘇聯(lián)核領(lǐng)域的開創(chuàng)者、原子彈之父伊戈?duì)枴鞝柷⊥蟹蛟菏?，蘇聯(lián)航天元?jiǎng)字x爾蓋·科羅廖夫都參與了核熱推進(jìn)系統(tǒng)的研制，蘇聯(lián)全國數(shù)十家研究院所和相關(guān)單位參與了這項(xiàng)革命性空間推進(jìn)系統(tǒng)的研制工作，核熱火箭發(fā)動機(jī)主要由位于沃羅涅日的化學(xué)自動裝置設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)研制。

獨(dú)特的蘇聯(lián)核熱發(fā)動機(jī)方案

雖然美國核熱火箭發(fā)動機(jī)的研制更早、投入更大，取得了很多成果，但蘇聯(lián)核熱推進(jìn)進(jìn)行了很多技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的更為高效和安全。

▲ 庫爾恰托夫誕辰100 周年紀(jì)念郵票

美國核熱火箭發(fā)動機(jī)項(xiàng)目代號ROVER 計(jì)劃，ROVER 計(jì)劃使用均勻化的反應(yīng)堆，先后建造了KIWI 系列等多個(gè)反應(yīng)堆進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，而蘇聯(lián)的核熱火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)上采用非均勻核反應(yīng)堆，其特點(diǎn)是核燃料和慢化劑分開布置，這種巧妙的設(shè)計(jì)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：

可以單獨(dú)對慢化劑進(jìn)行冷卻。這樣，慢化劑選擇時(shí)可以只考慮慢化性能，而無需過多的考慮耐高溫能力，擴(kuò)大了慢化劑選擇范圍并降低了研制難度。

減少了反應(yīng)堆中耐高溫部件的數(shù)量和種類。反應(yīng)堆材料可選擇類型更多，相應(yīng)的降低了反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和制造難度。

▲ 左起：科羅廖夫、庫爾恰托夫、克爾德什

可以在單個(gè)或幾個(gè)核燃料組件內(nèi)驗(yàn)證液氫工質(zhì)在反應(yīng)堆內(nèi)的熱工過程。這樣可在實(shí)驗(yàn)堆內(nèi)進(jìn)行測試，無需一開始就建造全尺寸的核反應(yīng)堆，降低了試驗(yàn)難度和研制費(fèi)用。

蘇聯(lián)的非均勻核反應(yīng)堆還使用了模塊化的堆芯設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)意味著即使對核熱火箭發(fā)動機(jī)的具體需求和指標(biāo)尚不明確的情況下，就可以開始研制標(biāo)準(zhǔn)化的燃料組件。蘇聯(lián)研制了標(biāo)準(zhǔn)化的核燃料組件，通過不同數(shù)量組件的組合實(shí)現(xiàn)不同尺寸和功率的反應(yīng)堆，通用化和組合化的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，有利于開發(fā)出系列化的核熱火箭發(fā)動機(jī)，滿足不同深空探測任務(wù)對核熱火箭的性能需求。組合化設(shè)計(jì)還提高了核反應(yīng)堆的安全性和可靠性，并降低了核熱火箭發(fā)動機(jī)的研制成本。

核熱發(fā)動機(jī)的研制

核熱火箭發(fā)動機(jī)的理論比沖可達(dá)900 秒左右，是最好的化學(xué)能火箭發(fā)動機(jī)的兩倍。從美國載人火箭設(shè)計(jì)參考DRM-1、DRM-3 到DRA-5 等報(bào)告看，核熱火箭發(fā)動機(jī)可將地球出發(fā)級規(guī)模從1400 噸降低到800 噸左右，整體效率提高70%，應(yīng)用前景十分誘人。

▲ 庫爾恰托夫設(shè)計(jì)的火星94 任務(wù)飛船示意圖

▲美國NERVA 核熱火箭發(fā)動機(jī)

核熱火箭發(fā)動機(jī)具有高比沖和大推力的特點(diǎn)，理論性能很好，但研制難度也很大，蘇聯(lián)從1958 年正式開始研制核熱火箭發(fā)動機(jī)，直到1978 年才初現(xiàn)曙光，隨后尚未上天實(shí)用就不幸中道崩殂。蘇聯(lián)為了研制核熱火箭發(fā)動機(jī)，積極進(jìn)行耐高溫燃料組件的研制，設(shè)計(jì)制造了多個(gè)核熱推進(jìn)裝置，還先后建造了IGR、IVG-1 和IRGIT 這3 個(gè)專用試驗(yàn)堆，雖然核反應(yīng)堆的建造規(guī)模小于美國的ROVER/NERVA 計(jì)劃，但資金投入仍然不小。

IGR 是一種非均勻氣冷的石墨脈沖核反應(yīng)堆，它能在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極高通量密度的中子和伽馬射線，主要用于檢驗(yàn)核熱推進(jìn)系統(tǒng)燃料組件在苛刻的核輻射環(huán)境下的可靠性。IGR 反應(yīng)堆為驗(yàn)證燃料組件的結(jié)構(gòu)方案和制造工藝鋪平了道路。

▲ 蘇聯(lián)核熱火箭發(fā)動機(jī)RD-0410

▲ 美國KIWI-B4A 核熱火箭發(fā)動機(jī)

IVG-1 是一種非均勻氣冷、以水為慢化劑的核反應(yīng)堆，它使用模塊化堆芯設(shè)計(jì)，可以調(diào)整甚至更換全部的燃料組件和慢化劑。IVG-1 反應(yīng)堆擁有獨(dú)立的氫氣輸送裝置，不僅能對各種方案的燃料組件進(jìn)行試驗(yàn)，而且對加熱氫氣的熱工過程進(jìn)行了驗(yàn)證。

IRGIT 是蘇聯(lián)核熱火箭發(fā)動機(jī)RD-0410 的地面原型堆。IRGIT 實(shí)現(xiàn)了從啟動、全功率運(yùn)行到停機(jī)和檢查的全程試驗(yàn)，試驗(yàn)中達(dá)到了42 兆瓦的最大功率，經(jīng)過堆芯加熱后，氫工質(zhì)的平均溫度超過2300 攝氏度，為空間核熱火箭發(fā)動機(jī)RD-0410 的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

核熱推進(jìn)的試驗(yàn)和終結(jié)

1978 年，蘇聯(lián)在塞米巴拉金斯克試驗(yàn)場進(jìn)行了核熱火箭發(fā)動機(jī)的初步測試試驗(yàn)，對IRGIT 核反應(yīng)堆進(jìn)行了多次功率測試。氫氣是一種強(qiáng)效的化學(xué)還原劑，在高溫下還原性更強(qiáng)。2000 ～3000 攝氏度的高溫氫氣環(huán)境中，保持發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作是一個(gè)重大技術(shù)難題。蘇聯(lián)研制的三元碳化物燃料較好地解決了這個(gè)問題。然而，核熱火箭發(fā)動機(jī)的核污染問題更大，一旦反應(yīng)堆出現(xiàn)故障甚至是泄露，高溫氫氣帶著高輻射性的核燃料噴出，將是一場巨大的環(huán)境災(zāi)難。

上世紀(jì)80 年代，蘇聯(lián)對RD-0410核熱發(fā)動機(jī)的地面原型堆進(jìn)行了多次試驗(yàn)，樣機(jī)在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了多次電加熱試驗(yàn)，對3.5 噸推力的RD-0410 核熱火箭發(fā)動機(jī)從材料、工藝到總體結(jié)構(gòu)方案的正確性，為制造真正的核熱火箭發(fā)動機(jī)做好了準(zhǔn)備。然而，蘇聯(lián)末期動蕩的歲月毀滅了核熱火箭發(fā)動機(jī)用于深空探索的夢想，蘇聯(lián)不堪重負(fù)的財(cái)政難以承擔(dān)這些燒錢無數(shù)的航天項(xiàng)目，使用核熱火箭發(fā)動機(jī)探測月球和火星的宏偉夢想，連同尚在襁褓中的核熱火箭發(fā)動機(jī)在1988 年被束之高閣。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，俄羅斯曾提出庫爾恰托夫火星94 載人任務(wù)，使用RD-0410核熱火箭發(fā)動機(jī)作為動力系統(tǒng)的設(shè)想。本世紀(jì)初，俄羅斯還曾利用蘇聯(lián)在空間核動力領(lǐng)域的豐厚技術(shù)積累，提出了研制核熱核電雙模式空間動力系統(tǒng)，用于未來的載人深空探測任務(wù)。遺憾的是，俄羅斯提出的這些方案缺乏資金投入，始終停留在了紙面上。近些年來，俄羅斯又把重心轉(zhuǎn)向核電推進(jìn)系統(tǒng)，核熱推進(jìn)技術(shù)很可能要出師未捷身先死了。★