發(fā)射最佳時(shí)刻的技術(shù)

發(fā)射最佳時(shí)刻的技術(shù)

核火箭的發(fā)射在對(duì)美的探索中，人們總是不滿足于僅在發(fā)射高速飛行的小型探測(cè)器。我們會(huì)設(shè)法將航天器發(fā)射到環(huán)繞這些酷熱的龐然大物的軌道上去,讓機(jī)器人登上它們的衛(wèi)星,甚至采集巖石和泥土的樣品,然后把它帶回地球。最后,我們會(huì)要求將宇航員送到它們的神奇的衛(wèi)星上去,這是至少三兩個(gè)被認(rèn)為有豐富的液態(tài)水的衛(wèi)星(我們知道,水是生命的基本需求)。完成這樣的飛行任務(wù),我們需要的不是化學(xué)燃料而是以核裂變?yōu)閯?dòng)力的火箭。化學(xué)火箭曾經(jīng)為我們工作得很好,但是一定質(zhì)量的化學(xué)燃料可提供相對(duì)較低的能量,使航天器的作用受到嚴(yán)重的限制。比如,要到達(dá)外層行星,一艘由化學(xué)動(dòng)力推動(dòng)的太空飛船,只能有非常有限的質(zhì)量,還要利用行星的引力來(lái)“加速”:飛船在加速中靠行星足夠近,行星的引力場(chǎng)起到“彈弓”那樣的作用提高飛船的速度。要利用這樣一些加速,飛行計(jì)劃人員必須等待“發(fā)射最佳時(shí)刻”——即飛船被發(fā)射到行星的適當(dāng)位置,使它能被加速飛向更遙遠(yuǎn)的物體的那個(gè)短暫時(shí)刻。用技術(shù)上的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō),化學(xué)火箭具有低的“最大速度增量”。意思是說(shuō),它們的排氣速度(燃?xì)怆x開(kāi)火箭燃燒室時(shí)的速度)不高,不足以給火箭傳遞甚高速度。最好的化學(xué)火箭,以氫和氧之間的反應(yīng)為基礎(chǔ),給離開(kāi)地球軌道的航天器傳遞的最大速度增量是每秒10公里。反之,核火箭傳遞的最大速度增量大約是每秒22公里。也就是說(shuō),這樣高的數(shù)值使直接飛到土星成為可能。航行時(shí)間從大約7年降低到3年。這樣的核火箭有著它固有的安全性和環(huán)境的優(yōu)良性。與通常的認(rèn)識(shí)相反,核火箭發(fā)射時(shí)不是非得有強(qiáng)放射不可。用核能推進(jìn)器的航天器,發(fā)射時(shí)在有效載荷的頂部裝有傳統(tǒng)的化學(xué)火箭,當(dāng)有效載荷到達(dá)約800公里以上的高地軌道時(shí),核反應(yīng)器開(kāi)始工作。制造由核裂變發(fā)動(dòng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的技術(shù)并非高不可攀。事實(shí)上,我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種叫做Mitee小型核火箭發(fā)動(dòng)機(jī),它可以在6～7年內(nèi)制造出來(lái),成本6億～8億美元。對(duì)于太空發(fā)射來(lái)說(shuō),這個(gè)成本是適中的。實(shí)際上開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的成本可由將來(lái)節(jié)省發(fā)射成本來(lái)彌補(bǔ)。根據(jù)是,由發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的核航天器不需要拖載笨重的化學(xué)推進(jìn)劑,那么它的發(fā)射就不需要像發(fā)射大力神Ⅳ那樣要耗資5.25億～5.325億美元?？梢杂玫蛢r(jià)火箭諸如Delta和Atlas來(lái)代替它,只要耗資0.5億～1.25億美元就夠了。在我們的設(shè)計(jì)中,反應(yīng)堆核燃料制成環(huán)狀卷筒中的穿孔金屬片,像中心空洞的膠卷筒。用鋰7的氫化物做的外套覆蓋在燃料筒的外面,起到減速器的作用,使中子放射的速度降低。中子是燃料內(nèi)部核裂變產(chǎn)生的。冷卻劑——液氫,會(huì)從卷筒外向內(nèi)流動(dòng),在它被加熱流向中心時(shí)很快變成氣體。過(guò)熱的氣體(約2700℃)以高速沿中心軸的通道流動(dòng),到通道末端經(jīng)過(guò)一個(gè)小小的噴咀流出筒外。核推進(jìn)器的主要引人之處在于它的推進(jìn)劑——?dú)?。因?yàn)樗梢缘教幉杉?它以氣體形態(tài)存在于太陽(yáng)系外層的巨大行星和遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星及行星上。由于核燃料可以持久,所以核動(dòng)力飛行器理論上說(shuō)可以在太陽(yáng)系外層遨游10～15年,只要按需求裝滿推進(jìn)劑就行了。飛船可以用幾個(gè)月的時(shí)間飛到木星、土星、天王星、海王星的大氣層,收集有關(guān)它們的成份、氣候以及別的特性的詳細(xì)數(shù)據(jù);也可以飛到歐羅巴、冥王星、泰坦去采集巖石標(biāo)本;還可以從電解被融化的冰水中收集氫氣,供飛回地球之用。由于反應(yīng)堆在離開(kāi)地球后狀態(tài)良好,所以核動(dòng)力航天器實(shí)在比有些用化學(xué)推進(jìn)器推動(dòng)的外層空間探測(cè)器安全。在太陽(yáng)系的有效區(qū)域內(nèi),太陽(yáng)射線太弱了,無(wú)法為航天器提供能量,因此一般都用钚238來(lái)做動(dòng)力源。钚238是高放射性物質(zhì),即使在發(fā)射時(shí)也不例外。另一方面,在核推進(jìn)器的探測(cè)器中,儀器是在提供推力的反應(yīng)堆之外運(yùn)轉(zhuǎn)的。而且,產(chǎn)生出來(lái)的放射性廢料的數(shù)量可以忽略不計(jì)。一次外層空間飛行大約有1克裂變產(chǎn)物。核火箭不是什么新東西。美國(guó)國(guó)防部在這個(gè)領(lǐng)域里的項(xiàng)目是20世紀(jì)80年代后期的太空熱核推進(jìn)計(jì)劃。它的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種小型的、輕量的、國(guó)防上用的核發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)以粒子板反應(yīng)堆(PBR)為基礎(chǔ),其燃料是由小而緊密的鈾的碳化物所組成,外面罩上鋯的碳化物。雖然PBR的工作在完備的(不是小尺度試驗(yàn)性的)核發(fā)動(dòng)機(jī)制造出來(lái)之前就結(jié)束了,然而工程師們以所獲得的高動(dòng)力密度的觀念和驗(yàn)證材料為基礎(chǔ),成功地制造出低動(dòng)力密度反應(yīng)堆,并付諸運(yùn)轉(zhuǎn)。確實(shí),Mitee發(fā)動(dòng)機(jī)極大地歸功于PBR的努力,為此我們?cè)诓剪數(shù)潞Ｎ膶?shí)驗(yàn)室工作了近10年。除了燃料部件的環(huán)狀構(gòu)造相同,Mitee也應(yīng)用了輕量的熱穩(wěn)定鋰7的氫化物作緩沖劑。不過(guò)我們所設(shè)計(jì)的Mitee的燃料裝置的動(dòng)力密度只有約每公斤1000萬(wàn)瓦,而不是PBR的3000萬(wàn)瓦。不難看出,如果只用化學(xué)火箭,我們探測(cè)外層行星及其衛(wèi)星的能力事實(shí)上是脆弱的。近期內(nèi),惟有核火箭能夠給予我們這樣的動(dòng)力、可靠性和靈活性,它們是極大地增進(jìn)我們對(duì)太陽(yáng)系邊緣的廣大而神秘的世界的理解所必需的?！狫amesR.Powell(本文作者是美國(guó)特種尖端技術(shù)公司總裁。)推進(jìn)聚變的基本技術(shù)雖然星際旅行至今仍是未來(lái)學(xué)的絢麗夢(mèng)想,然而工程師和科學(xué)家已經(jīng)在探索這個(gè)課題,進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn);這些工作都有可能引導(dǎo)到把航天器加速到足以航行到遠(yuǎn)離太陽(yáng)系邊緣的技術(shù)。一種以核聚變?yōu)榛A(chǔ)的推進(jìn)系統(tǒng)可以把人類帶到外行星,還可以把機(jī)器人航天器推進(jìn)幾千個(gè)天文單位(1天文單位是地球到太陽(yáng)的平均距離,1.5億公里)到星際空間。這樣的系統(tǒng)大概在今后幾十年里可以制造出來(lái)。最后,甚至用物質(zhì)和反物質(zhì)相互湮滅時(shí)的燃燒來(lái)推動(dòng)的更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī),可能把航天器送到附近的恒星。這些奇異模式的推進(jìn)器的迷人之處,在于它們可以從給定質(zhì)量的燃料中釋放出難以想像的大能量。例如,一聚變基的推進(jìn)系統(tǒng),理論上可產(chǎn)生每千克燃料1014焦耳的能量。這樣的能量密度比用來(lái)推進(jìn)今天的航天器的化學(xué)火箭的相應(yīng)數(shù)值要大1000萬(wàn)倍。物質(zhì)-反物質(zhì)反應(yīng)開(kāi)發(fā)起來(lái)困難更大,但它們每千克燃料能夠產(chǎn)生2×1016焦耳的能量。這樣大的能量足以供應(yīng)全球能量需求達(dá)26分鐘。核聚變中,在足夠的高溫和高壓下,非常輕的原子聚集到一起,經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,熔合成更重的原子。反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物之間的質(zhì)量差等于釋放出來(lái)的能量數(shù)。這可以按照愛(ài)因斯坦的著名公式E=me2計(jì)算出來(lái)。反物質(zhì)很少,而利用聚變所碰到的障礙也令人望而生畏。無(wú)論是火箭推進(jìn)還是在地上能量連鎖反應(yīng)階段,控制聚變的概念都可以分為兩類。這些種類指的都是用來(lái)限制極端高熱的荷電氣體,即等離子體的技術(shù)(聚變是在等離子體中發(fā)生的)。在磁禁閉聚變中,強(qiáng)磁場(chǎng)包容著等離子體;而在慣性禁閉聚變中則依靠激光或離子束去加熱或壓縮一小團(tuán)聚變材料。1997年11月,研究人員利用磁緊閉方法引發(fā)聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量,是啟動(dòng)這一反應(yīng)所供應(yīng)的能量的65%。這個(gè)里程碑是在英格蘭的歐洲聯(lián)合回旋加速器樹(shù)立起來(lái)的——托卡馬克反應(yīng)堆等離子體就在這里受到磁緊閉。商用聚變反應(yīng)堆應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生出比為啟動(dòng)和維持反應(yīng)而加入的能量多得多的能量。從20世紀(jì)50年代以來(lái),科學(xué)家提出了幾十個(gè)聚變火箭的概念。盡管聚變會(huì)產(chǎn)生出大量的高能粒子,但是只有當(dāng)這些粒子能被引導(dǎo)到定向地產(chǎn)生推力,這個(gè)反應(yīng)才能給航天器加速。在以磁緊閉為基礎(chǔ)的聚變系統(tǒng)中,策略是輸入燃料以支持反應(yīng),同時(shí)讓一部分等離子體逃逸出來(lái)去產(chǎn)生推力。由于等離子體會(huì)破壞任何被它烘烤的容器,由一個(gè)部件產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)有效地引導(dǎo)荷電粒子流出火箭。研究人員把這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)稱做磁噴咀。在以慣性禁閉為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)中,高能激光或離子束點(diǎn)燃小小的聚變?nèi)剂吓?每秒大約30次。磁噴咀也足以有向引導(dǎo)等離子體流出發(fā)動(dòng)機(jī)而產(chǎn)生推力。在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的粒子取決于所用的燃料。最容易發(fā)生反應(yīng)的是在氘和氚之間。這是氫的兩種重同位素。它們的原子核除了1個(gè)質(zhì)子,還分別包含一個(gè)和兩個(gè)中子。反應(yīng)產(chǎn)物是中子和氦核(也叫α粒子)。對(duì)于推力來(lái)說(shuō),帶正電荷的α粒子是我們所希望的,而中子則不然。中子不能被有向引導(dǎo),因?yàn)樗粠щ姟Ｋ鼈兊膭?dòng)能可以用于推進(jìn)器,但是沒(méi)有方向。這要把它們攔阻在一種材料上,然后利用截獲它們時(shí)所產(chǎn)生的熱。中子輻射還對(duì)乘務(wù)人員造成威脅,必須采取許多屏蔽措施以保證駕駛?cè)蝿?wù)的完成。這些事實(shí)提出了聚變材料選擇中一個(gè)關(guān)鍵性困難。雖然在氘和氚間發(fā)生聚變最容易,但是對(duì)許多推進(jìn)概念來(lái)說(shuō),應(yīng)用氘和同位素氦3(兩個(gè)質(zhì)子,一個(gè)中子)更為合適。這些核的聚變產(chǎn)生1個(gè)α粒子和1個(gè)質(zhì)子,兩者都可以用磁場(chǎng)操縱。問(wèn)題在于地球上同位素氦3極其稀少。再者,氘-氦3反應(yīng)比氘-氚反應(yīng)更難點(diǎn)燃。但是如果把聚變?nèi)剂系倪x擇撇在一邊,那末要把人類帶到太陽(yáng)系的外層區(qū)域或者進(jìn)入星際空間,一架幾千噸重的航天器(大部分是燃料)就是必不可少的了(可以比較一下,洲際太空站具有約500噸的質(zhì)量)。聚變推進(jìn)器的這些關(guān)鍵障礙:從受控反應(yīng)中獲得高動(dòng)力;制造有效容器和磁噴咀;找到足夠的燃料等;其中任何一個(gè)障礙似乎都是不可超越的。然而任何一個(gè)至少還存在未來(lái)解決的閃光。首先,有充分理由相信,聚變反應(yīng)遠(yuǎn)不是打成平手,即不是反應(yīng)產(chǎn)生的能量與供應(yīng)的能量一樣大。在美國(guó),慣性禁閉的工作作為乘員飛船計(jì)劃的一部分享有優(yōu)厚的資金支持。研究人員正在按照這項(xiàng)計(jì)劃,尋求保證未經(jīng)試射的熱核武器的安全性和可靠性的方法。他們正集中精力在裝配勞倫斯利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的點(diǎn)火反應(yīng)堆。這一反應(yīng)堆預(yù)期在2001年起用。至2003年,可達(dá)到在10億分之4秒內(nèi)用180萬(wàn)焦耳的全激光能量啟動(dòng)。研究人員預(yù)期,以這樣的動(dòng)力所釋放的能量是啟動(dòng)反應(yīng)所需能量的10倍。還有跡象表明,托卡馬克反應(yīng)堆(它支持磁禁閉研究)可能有一天會(huì)被更小型的也更經(jīng)得起檢驗(yàn)的火箭推進(jìn)技術(shù)所取代。1996年,美國(guó)能源部聚變能量科學(xué)委員會(huì)批準(zhǔn)了這個(gè)有前途的磁禁閉計(jì)劃的研究工作(作為逆場(chǎng)箍縮、反場(chǎng)構(gòu)形和球形托卡馬克)。同時(shí),工作人員已開(kāi)始磁噴咀的先期工作。最大規(guī)模的研究是一個(gè)合作項(xiàng)目——由美國(guó)航空航天局(NASA)、俄亥俄州立大學(xué)和阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的。他們正在應(yīng)用非常高的電流來(lái)產(chǎn)生等離子體,在實(shí)驗(yàn)中把它當(dāng)作聚變等離子體,然后研究它與磁場(chǎng)的相互作用。聚變?nèi)剂蠁?wèn)題也許是容易對(duì)付的。雖然地球的氦很少,然而月球泥土中有比較大量的氦,木星大氣中亦然。地球上還有別的元素,如硼,也可以作為聚變反應(yīng)物。它不易點(diǎn)燃,但能產(chǎn)生α粒子。在聚變推進(jìn)器的全部希望中,還有一種著名的物理現(xiàn)象:物質(zhì)-反物質(zhì)的湮滅。給定質(zhì)量的反應(yīng)物質(zhì),它所釋放的能量更大一些。以這個(gè)原理為基礎(chǔ)的太空推進(jìn)系統(tǒng)可以利用質(zhì)子和反質(zhì)子的相互湮滅。這種湮滅帶來(lái)一系列的反應(yīng)。首先發(fā)生π介子。這是一種短壽命粒子。一部分π介子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生推力。它是物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的,以近乎光速運(yùn)動(dòng)。然而再一次遇到那個(gè)關(guān)鍵困難是它的稀少。在高能加速器產(chǎn)生的反質(zhì)子數(shù),全世界加在一起一年也不過(guò)幾十毫微克(10-9克)。要在一次飛行中把人帶到最近的恒星(鄰近半人馬座恒星)上去,物質(zhì)—反物質(zhì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要幾噸的反質(zhì)子,而俘獲、儲(chǔ)存和操作反質(zhì)子則是面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn),因?yàn)榉促|(zhì)子是在與普通質(zhì)子接觸時(shí)才發(fā)生湮滅的。盡管如此,它還是可能利用的,即使是在更小的范圍內(nèi)。當(dāng)需要反質(zhì)子的數(shù)量少得多時(shí),很可能在下一個(gè)10年中得到反質(zhì)子的高能量值。這樣的系統(tǒng)可利用反質(zhì)子來(lái)觸發(fā)初始的禁閉聚變。反質(zhì)子會(huì)穿入重原子的核,與質(zhì)子相互湮滅,造成重核裂變。強(qiáng)大的裂