小型核火箭：有劲儿慢慢使

终有一天，在探测太阳系中的外行星（指九大行星中木星、土星、天王星、海王星和冥王星这5颗小行星带以外的行星）时，人类将不再满足于只是派出小小的探测器从它们身边快速飞过。到那时，科学家将把探测器送入绕这些由气体组成的巨型“气球”飞行的轨道上，让机器人在它们的卫星上登陆，甚至把岩样和土样送回地球。最终我们还将把宇航员送到那些神秘莫测的卫星上。据认为，这些卫星中至少有两三颗的上面有丰富的液态水，而水是我们所知道的生命最基本的要素。

要执行这样的任务，我们可能需要采用核裂变（而不是化学燃烧）推进的火箭。航天技术能发展到今天，化学火箭功不可没。但对于给定重量的燃料，化学火箭所能发出的能量相对较低，从而对航天器提出了严格的限制。比如，要使用化学火箭动力飞往外行星，探测器不仅重量要小，而且要到处找行星“借力”，即让探测器机动到离一行星较近的区域，利用其引力场为探测器加速。为了进行行星借力，探测器必须等待合适的发射窗口，才能在上路后经过这些行星，并在其帮助下飞到更远的天体处。但这样的窗口一般都很短，一旦逝去就又需耐心等待一番。

从技术上讲，化学火箭所能达到的最大速度增量较低，就是说它们的排气速度不够高，不足以使火箭飞行器达到很高的速度。最好的化学火箭（使用氢和氧做推进剂）也只能使要离开地球轨道飞往它处的探测器取得大约10公里/秒的最大速度增量。比较起来，核火箭的最大速度增量可达到22公里/秒。有了这样高的增量值，我们就有可能把探测器直接送到土星，并可把花在旅途上的时间从7年左右缩短到3年。与一般人想象的不同，这样的核火箭不仅不存在安全问题，对地球环境也是无害的，因为它在发射时并不需要具有强辐射性。使用核推力器的探测器可以作为常规化学火箭的有效载荷发射，待到了高地球轨道（地面上空约800公里）后再启动核反应堆。

从可能性上说，建造核裂变火箭发动机所需要的技术离我们并不遥远。事实上，美国一家公司已经设计出了一种小型核火箭发动机，称为米蒂（原意为“微小反应堆发动机”）。这种发动机可在大约6～7年内制造出来，造价6～8亿美元。这个价钱从航天发射的角度来看并不太贵，而且花了这笔研制费用还可节省今后的发射成本。由于不用带沉重的化学推进剂，采用这种发动机的核动力探测器不再需要劳大力神4这样的重型运载火箭的“大驾”，只需让德尔它或宇宙神这样的火箭送上一程就可以了。大力神4发射一次要花2.5～3.25亿美元，而德尔它或宇宙神的发射价格只有0.5～1.25亿美元。

米蒂核火箭发动机所用的核燃料装在做成中空卷筒的多孔金属板内。燃料卷外围裹着一个氢化锂-7套，用作减速剂，可使发生于燃料内的核裂变所放射的中子减速。身兼冷却剂和推进剂两“职”的液氢将从卷外向内流动，并在升温和流向中心部位的过程中迅速变成气体。温度高达2700摄氏度的高温氢气将沿着燃料卷中轴处的一个通道高速流动，而后通过后部一个小喷管流出。

核推进的一个重要优点是它的推进剂——氢不仅在地球上可满足供应，在外太阳系的巨型行星上以及在遥远的卫星和行星的水冰中都有广泛的来源。因此，由于核燃料相对来说工作时间较长，通过在必要时就地补给氢，核动力飞船从理论上说可以在外太阳系中旅行上10～15年。这样一颗探测器可以在木星、土星、天王星和海王星的大气中飞行数月，获取大气组分、天气类型和其它特征的详细数据。另外，也可以派这种探测器前往木卫二、冥王星或土卫六采集岩样，同时通过电解融化的冰水生产氢，供返回地球之用。

由于反应堆可在远离地面后再启动，核动力探测器实际上可以做得比使用化学推力器的某些深空探测器还安全。在太阳系的偏远部分，太阳射线很弱，无法为探测器上的仪器提供能量，所以出访这些地区的探测器通常要使用钚238电源。这种电源即使是在发射时也有很强的辐射性。而如果使用核推力器，星上仪器就可以撇开这种电源，利用产生推力的反应堆来供电。另外，这种反应堆产生的放射性废料也很少，一次深空探测总共只会产生1克左右的裂变产物，而且这种废料绝对不会回落到地面上。

核火箭并不是什么新东西。美国国防部在这方面已开展过多项研究，80年代末它开展的“空间核热力推进”计划就是其中之一。该计划的目标是要研制一种小型、轻质核发动机，以供国防之用（如把重型有效载荷送入高地球轨道等）。这种发动机的一个主要特点是它采用了粒子床反应堆（PBR）。该反应堆的燃料由封装起来的小碳化铀颗粒组成，颗粒外涂碳化锆。尽管这种反应堆的研制工作在制成足尺核发动机之前就终止了，但技术人员却根据该方案制造和运行了低功率的反应堆，并证明该方案可以达到很高的功率密度。

实际上，米蒂发动机也利用了很多PBR反应堆的研制成果。除了燃料元件所采用的基本环形布局外，如上所述，米蒂还将使用轻质、具有热稳定性的氢化锂-7作为减速剂。不过，为了保险起见，米蒂的燃料装置的功率密度选为每升10兆瓦左右，而PBR为30兆瓦。

很显然，要更深入地探测外行星及其卫星，仅仅指望化学火箭是不够的。人类需要加深了解目前我们还知之甚少的宇宙世界，特别是太阳系的边远地带。而近期内，只有核火箭才能使我们拥有所需要的动力、可靠性和灵活性。在谈核色变的这个世界，地球人需要这样的“核武器”。（待续）

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