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    凯旋门kxm,星际穿越:简谈核动力火箭

    2020-01-07 18:59:38

    凯旋门kxm,星际穿越:简谈核动力火箭

    凯旋门kxm,节选自 执着的“流浪狗”——美国核动力火箭项目始末

    原作者 寒桀

    为了正式踏入太空时代的真正门槛,太空工程师们一直在不谴余力地发展更有效率的推进系统。当然,从技术可行性方面考虑,靠化学能工质推进系统,无疑还是冲出大气层第一现实选择。所以显尔易见,如果目的仅仅是使载荷达到第一宇宙速度,那么并不需要在化学能推进系统的设计与制造上投入太多,便能为人类提供一种成本最为低廉的入轨手段。但问题在于,一旦在脱离了地球引力束缚,即使使用目前性能最好氢氧推进系统,喷气速度也只能达到43000~44000千米/秒。若用继续使用传统的化学推进系统实现恒星际载人航行,到达最近的恒星也要几万年,就算是太阳系内的行星际航行,也要几年乃至几十年的时间,就人类目前的技术水准而言,这种方式的载人航行完全是不可想象的。好在人类发展技术的天性,往往是通过对现有技术的重新组合来获得更新一代的技术,因此凭借现有人类技术水平,星际航行的梦想仍然是有可能实现的。那么这个梦想与现实之间的契合点在哪里?答案是核动力。

    如果在宇航推进系统中要利用核动力,共有3种方式可供选择:1、利用小当量核弹爆炸;2、直接利用来自反应堆的高能粒子;3、利用核反应堆的热能。这其中,任何在大气层内释放放射性物质的行为显然都是错误的。所以由于显尔易见的原因,过于暴虐的“猎户座”计划压根就没敢在公众面前曝光。既然“猎户座”这种直接向身后扔原子弹的路子明显不通,那么其他方案又当如何呢?从原理上讲,核动力高能粒子发动机所能达到的性能上也许与“猎户座”不相上下。核反应的时候能够产生许多高能粒子,这些高能粒子移动速度不但非常快,而且这些高能粒子是离子态的,从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。因此利用这种方式,可以达到极高的比冲量(编注:动力学术语,是用来衡量火箭引擎燃料的能量效率的标准量)。很显然,这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务,甚至进行恒星际飞行。不过,这种发动机明显超出了人类现阶段的技术发展水平,要将其实用化更是遥遥无期的事情,只能是一个美好的憧憬。

    结果从最现实的角度考虑,利用反应堆热能去加热工质的推进系统应该是技术上最可行的方式。虽然与化学能推进系统相比,这种核动力火箭在本质上并没有原理上突破,在比冲上也远远赶不上前面的两种核能发动机,仍然是通过反应堆中核子的裂变或者聚变产生的大量热能去加热推进工质,被加热的工质经喷管膨胀加速后,以6500~11000米/秒的速度从喷口排出而产生推力。但这种热能式核动力推进系统,在大气层内几乎不存在放射性污染问题,而且能以同级别氢氧发动机2倍的比冲持续工作几十年,所以仍然非常适用于行星际航天器。然而,尽管门槛已经放得很低了,原理听起来也非常简单,但是在工程上却有许多难题需要解决,那么凭人类的技术水平,这样的热能式核动力空间推进系统能造出来么?

    核能宇航推进系统——旁门左道的冷门

    虽然“核动力发动机”的概念在20世纪30年代的科幻小说中都已经是陈词滥调了,但直至人类爆炸第一个核装置之前,美国人关于将核能应用于航天推进系统的正式研究却才刚刚开始。1944年1月,美国洛斯阿拉莫斯国家科学实验室 (laslea)的科学家斯坦尼斯·乌拉姆(波兰裔美籍数学家,“曼哈顿工程”的参与者)与弗雷德里克·j·霍夫曼开始对利用核能进行宇宙航行的可行性问题进行探讨,2年之后,作为“曼哈顿工程”的一项附属产物,讨论终于有了初步结果。

    1946年6月,作为日后一系列相关研究的真正开端,在二战中迅速成长起来的北美公司与道格拉斯公司,基于斯坦尼斯·乌拉姆与弗雷德里克·j·霍夫曼的研究成果,分别向美国空军提交了一份关于核能宇航推进系统的秘密报告。尽管在内容细节上不尽相同,但两份报告的结论却是殊途同归,一致认为“基于热能转换原理的核推进系统,将是可行性最高的方案”。1947年2月,约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的研究者们在一篇合著论文中再次重申了这一观点。而到了1948年~1949年间,就依靠核反应堆热能进行宇宙航行的问题,英国星际学会出版了一系列影响力深远的著作,不过在英国人之前,时任美国陆军喷气推进实验室主任的华人著名火箭专家钱学森教授,却已经提出了关于热能核动力火箭的一个详细方案,英国人的风头被抢去了大半。一时间,此起彼伏的种种方案设想令人眼花缭乱。但不管怎么样,这些本属学术界内部的波澜,却使关于核动力火箭的话题在上世纪40年代未又成了人们热议的焦点。

    从理论上讲,核能推进系统可以应用于计划中的洲际导弹系统(icbm),将核弹头送往球上的任何一个角落。也正因为如此,美国空军的兴趣异乎寻常的高涨起来。不久,来自美国空军内部的一份报告给这股日渐高涨的核火箭热潮降了温。这份措辞严谨的报告指出,如果要将核反应堆作为工质型推进系统的一部分应用于icbm,那么这个反应堆需要持续而稳定地运行在3200摄氏度左右的高温上,但在现有的技术条件下,却很难找到合适的耐高温材料去制造这种核推进系统,或者说这种导弹的造价将昂贵的无法接受。作为官方的结论性论断,美国空军的这份报告份量不言而喻,再加上其他一些瓶颈性技术问题的客观存在,因此到了50年代初期,公众对核动力火箭的兴趣已经迅速消退,并将注意力转移到了更为可行的核动力飞机上。然而,与民间态度的忽起忽落形成鲜明对照的是,尽管远比公众更为清楚其中的艰辛,但一些信念坚定的技术崇拜者们还是一无返顾地踏上了征程。

    美军曾在b-36轰炸机上试验过核动力飞行

    与风帆的发明相提并论?——无奈的“流浪狗”

    对核动力火箭前景的悲观看法,虽然很多雄心勃勃的技术人员并不认同,然而随着美国空军那份报告被掷地有声地抛出,绝大部分核动力火箭项目仅仅开了个头便偃旗息鼓了,只有几个被认为技术门槛相对较低的核动力航空推进系统项目,得以维持惨淡经营。万幸的是,这种阴暗光景并没有持续很长时间。1951年,在橡树岭国家实验室主持核动力航空喷气发动机项目的罗伯特·w·布撒德博士,请求美国原子能委员会(aec)对核动力火箭计划进行重新评估。这位核推进系统专家指出,根据核动力航空喷气发动机项目的进展情况,此前对核动力空间推进系统的估计过于悲观,事实上这样的推进系统正是化学能推进系统最强有力的竞争者,可以更有效率地将同样的载荷送往更远的地方。一连串充满说服力的计算数据,再加上布撒德博士出色口才的推波助澜,核动力空间推进系统的前景总算显露了一丝光明,1955年2月美国战略空军司令部终于同意重启对核动力空间推进系统的研究项目。当然,这种“开恩”并非是出于对基础研究突如其来的兴趣,相对于星际航行的美妙憧憬,以核动力驱动核弹头的“全核”战略导弹显然更能打动美国空军那颗冰冷的心。

    事实上,美国空军重拾对核动力空间推进系统的兴趣,还有一个不能不提的重要因素——在1955年,作为一系列核动力洲际轰炸机计划的最初成果,由b-36改装而来的x-6试验型洲际重型轰炸机已经成为了天空中的事实。受此鼓舞,信心膨胀的美国空军当然希望在更高的领域上有所突破,实现“全核洲际导弹”的梦想。于是尽管投资的功利性显尔易见,但美国空军的大力支持却还是很快见了成效。1955年7月,作为原子能委员会的一个下属机构,位于加利福尼亚大学校园内的核动力空间推进系统分部正式挂牌,一切似乎已经上了轨道。然而,刚刚见到了些曙光的事情很快又遭遇挫折。用于宇航的核动力推进系统当然不是弹指间便能轻松搞定的活计,将其投入实际应用更需要极佳的耐心,可惜美国国会的议员老爷们却没有这份心境,由于无法在短期内看到立竿见影的成果,用于项目研究的预算被砍去十之七八,核动力推进系统分部相应的人员编制也不得不大幅收缩。情急之下,为了避免刚有起色的核动力空间推进系统研究再陷入低谷,科学家们被迫采取曲径通幽的办法,先是洛斯阿拉莫斯国家科学实验室出头,以研发用于巡航导弹的核动力冲压发动机的幌子,设立了一个被称为“冥王星”的项目。不过,这个所谓的“冥王星”计划实际上只是挂羊头卖狗肉的空壳,其真正用意只是在于申请经费,然后用这些经费作为“食物”去喂饱那只”流浪狗”——一个关于核动力火箭的秘密研究计划。虽然只是个见不得光的半官方“黑计划”,但醉心于核动力火箭的科学家们很早就意识到,如果有机会看到突破性的进展,美国政府迟早会插手进来,所以作为美国乃至世界上第一个真正意义上的核动力空间项目,“流浪狗”日后在人类拓展史上的地位大概会与风帆的发明相提并论。

    但需要提前说明的是,这个包含了“天大”野心的计划,其实在原理上与化学能推进系统并无本质差异,同属工质型火箭范畴。两者间的区别“仅仅”在于,“流浪狗”所计划装备的热能式核动力推进系统,以核反应堆替换了液体火箭双元推进剂中的液氧箱,整个核火箭发动机由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。在核反应堆中,核能转变为热能,加热工质。输送系统将工质先送入喷管冷却套冷却推力室,然后进入反应堆加热,最后通过喷管膨胀加速排出。发动机控制系统调节工质的流量和控制反应堆的功率。虽然在工作原理上类似,都是通过加热工质获得推力,但这种热能式核动力空间推进系统与化学能火箭发动机相比具有3个无法比拟的优点。第1,热能式核推进系统只需要一种成分的工质,因此核反应堆只占整个发射重量的不到20%;第2,核裂变过程中开释出来的巨大能量是化学燃烧产生的能量的100万倍;第3,与巨大的能量释放相对应,核裂变比化学反应能获得更高的温度,是使工质达到高比冲的决定性因素之一。显然,与化学火箭推进系统相比,核热推进系统具有极大的优越性。

    具体而言,整个“流浪狗”核动力火箭计划由两个子项目构成,分别是作为推进系统核心的反应堆(项目代号“救护机”dumbo),以及使用这套核推进装置的运载火箭本身(项目代号“神鹰”condor)。而在两个子项目中,反应堆显然是重中之重,关系到整个计划的成败。作为空间推进系统源源不断的热能提供者,对于航天用反应堆的要求归纳起来大致有两点:1. 功率密度大,能布置在火箭壳体的有限空间中,而且热转换效率要高;2.能在强振荡、大倾斜、强噪声环境中长时间运转,不会发生大的故障。这样的要求与核潜艇反应堆的要求非常接近,只是对功率密度与热转换效率的标准更高罢了。事实上,通用原子能公司按照这一标准,已经成功制造出了用于洲际重型轰炸机的p-1型核反应堆。这就使“救护机”的研究并不是白手起家,而是有着非常详尽的参考范本。自1955年核潜艇诞生以来,潜用反应堆有两种类型,一种是压水堆,另一种则是液态金属堆。与压水堆相比,液态金属堆的热效率较高,可以使核动力装置的尺寸小而获得较大的功率,显然比压水堆更适合空间推进系统。然而,液态金属堆在技术水平上比压水堆要高出一个级别,研制难度更大,这就需要先从陆上模拟堆开始,一步一个脚印地在摸索中逐步完善设计。所谓陆上模拟堆,也就是建造一个陆上试验台架式的反应堆装置,用以观察它的运行状态,必要时对其进行修改、培训各类人员,试验成功后进行鉴定,经再次设计最终达到装机状态。不过,关于如何建造陆上模拟堆有两种不同的方案。一种方案主张在陆上建造分散的试验室式的陆上反应堆装置,它的优点是可以方便设计、制造、安装、调试、运行检查和维修。而当时美国海军核推进计划负责人海曼·里科弗海军上将则坚决主张,从一开始就将台架式的陆上模拟堆的反应堆和附件装置按实际装机状态一样布置,并将这种主张归纳为“mark-i等于mark-Ⅱ”。也就是说,在安排实施计划时,为能保证一次成功,要求模拟堆的每个部件都必须比实际装机工程状态的部件提前几个月完成制造,在模拟堆上的一些修改必须反映到实用堆中。这样的模拟堆可以认为在总体上“mark-i等于mark-Ⅱ”,而mark-Ⅱ的情况比mark-i更能满足实际核潜艇的要求。一目了然的是,海曼·里科弗研制潜艇核动力装置的思想体系和理论是非常科学并符合实际的,因此这种方法最终为 “救护机” 核动力空间推进系统项目所借鉴。1957年4月,“救护机”项目的首个陆上模拟堆kiwi-a开始建设。

    kiwi-b1b

    为了安装到比潜艇内部更为狭小的空间,kiwi-a采用了紧凑的一体化布置结构,以简化系统、外围设备和附件,减少自身能量消耗、体积和重量。其堆芯本身属于由液态金属纳进行循环冷却的石墨堆,以碳化铀棒为燃料,可以在3300摄氏度的高温下,仍然保持堆芯材料的物理机械性能,整体堆型设计非常合理。然而,如果按照“mark-i等于mark-Ⅱ”的模拟堆建造原则来衡量,kiwi-a只有反应堆舱部分,没有二回路推进装置部分,反应堆核能产生的热能只用1台汽轮发电机来消耗,也就是说这个陆上模拟堆只是对反应堆本身和一部分回路进行考核,并不完整。当然,从核动力箭计划整体上的庞杂繁复来看,既便是进行了如此程度简化,kiwi-a也依然是个了不起的阶段性成果。可惜的是,当1957年10月4日苏联人的卫星一号开始从太空中传来令人烦躁不安的“嘟嘟“声时,一切都改变了,并不完整的kiwi-a模拟堆让人感到实用化核动力空间推进系统的遥遥无期,美国空军已经无法忍受核动力火箭项目缓慢的进展。事实上,早在kiwi-a开建之前,事情就已经有些不妙了,在1956年6月,美国空军便明确表示,出于进度及技术风险方面的考虑,正在进行中的几个洲际弹道项目将不考虑采用过多的新技术,特别是利用核动力的推进系统,出于同样的原因,甚至连已经成功试飞了47次飞行的nb-36h-ws-125·a核航空器项目也被取消,也就是说,“全核战略导弹”的梦想基本破碎。现在随着苏联人将人类第一颗人造卫星送入近地轨道,急于扳回太空领域劣势的美国人,又打算用技术成熟度高的化学能推进系统先将自己的卫星送入太空再说。于是,核动力火箭又一次在时间上被化学能火箭所打败,本来一直按照正常科研节奏稳步推进的“流浪狗”计划,一时间似乎失去了方向,被迫作为预研性质的技术储备向空间探索方向发展。

    不过,尽管转入了预研状态,但这并不意味着“流浪狗”停止了奔跑。事实上,也许吃核燃料的“流浪狗”在一开始可能的确没有那些满肚子化学推进剂的同类跑得快,然而如果加以时日,这只“流浪狗”的耐久性与爆发力却不是后者所能比拟的。虽然50年代末的美国空军被所谓“导弹差距“搞得焦头烂额,但长远目光终究还是有的,对核动力是未来一切空间计划的希望所在这一点看得非常清楚。同时为了扭转颓势,美国政府在新成立的国家航空航天局(nasa)框架内与洛斯阿拉莫斯国家科学实验室合作成立了美国国家航天核推进局(snpo),用于接管“流浪狗”计划,以整合资源并加速实用型核动力火箭的研制进程,抢在苏联人前面向月球乃至火星发射载荷。

    另一方面,作为“猎户座”曾经狂热的支持者,在这个过于“暴力”的核火箭计划的下马实质上已成定局后,冯·布劳恩便将注意力转移到了较为“温合”的“流浪狗”计划。他凭借自己的影响力,在与政府高层官员之间交涉中取得了一定进展,再加上nasa虽然因为害怕公众反对“猎户座”因而不愿提供经费,然而他们对于资助载人航天的其他研究项目却非常感兴趣。因此,通过“变通”其他项目经费的办法,“流浪狗”倒一直没有饿肚子。1959年6月,在位于拉斯维加斯西北190千米的偏僻小镇尼瓦达,kiwi-a堆上模拟堆成功的运行了5分钟,以1500度的堆温输出既达70兆瓦。在随后的几个月,另外两个同型kiwi-a模拟堆先后投入了长期稳定运行。受此鼓舞,建造真正的全状态模拟堆kiwi-b,被提上了日程。不过,与kiwi-a这种并不完全符合“mark-i等于mark-Ⅱ”标准的模拟堆不同,kiwi-b是完全按照可升空的全状态标准设计建造的:堆温达3200摄氏度。同时kiwi-b虽然仍以氢为工作介质,但已经由kiwi-a那体积庞大的试验台架用压缩气箱换成了紧凑的液氢气瓶。人类的核动力火箭梦想似乎正在一点一滴地变为现实。

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