月球/火星探索计划前景或许取决于核推进装置

发布时间：92年05月28日

James R. Asker 编译林志信

当约翰F. 肯尼迪总统发表他的著名演说，要求美国派人登上月球时，那不是他要谈的关于空间方面的全部事情。在1961年5月25日国会联席会议上致词，他还强调加速研制航天器用的核推进装置。

30年后的今天，克利夫兰市国家航空航天局刘易斯研究中心一群工程师正在议论：乔治 · 布什总统空间探索倡议成功的关键取决于把核火箭和让宇航员返回月球这两种想法结合起来。

刘易斯小组正在致力于用核热火箭推进的可重复使用的飞行器把宇航员或货物运到月球并返回的方案。在增加模块式设备情况下，月球运输船将成为在21世纪初把宇航员降落到火星的航天器的核心问题。

尽管核热火箭发动机未必是倡导作为载人去火星任务的唯一推进技术（它甚至不是正在推行的唯一的核推进装置方案），毫无疑问它是优先候选的方案。

白宫指定的所谓“综合小组”极力推荐核热推进装置作为基本方案来考虑。

况且，刘易斯的特殊作法——模块式、可重复使用和技术要成熟到足以开始用在月球上建立一个前哨基地——正在受到负责制定月球和火星任务的约翰逊空间中心的赞扬。在国家航空航天局总部，高级官员对此项工作极感兴趣。最近担任国家航空航天局负责空间探索倡议的副局长迈克尔D. 格里芬（Michael D. Griffin）说，刘易斯的工作是“真正有趣，真正吸引人的”。格里芬已经明确表示他的兴趣在于研究能够迅速产生成果的想法，他补充说“他们在其技术方面是相当保守的”。

刘易斯的核热火箭推进的模块式航天器的方案大部分是一级核工程师斯坦利K. 博罗斯基（Stanley K. Borowski）的研究成果。他认为，花30~50亿美元，到2000~2005年，可以立即把设备用在月球运输飞行器上。载人去火星的任务很可能在2014~2019年（下一次行星最佳发射时期）起步。

相反地，研制使用化学推进装置和在稀薄火星大气中使飞行器减速的气动力制动装置这种系统将花费100~160亿美元。

刘易斯核推进装置处系统负责人约翰 · 克拉克（John Clark）说，热核火箭的绝大部分费用将是花在试验方面。虽然核的飞行设备在抵达地球低轨道之前不点火，但是研制人员很可能要在地球上进行发动机试验。国家航空航天局设想这种设施务必提供一种密闭环境。国家航空航天局正在探索各种试验方案，队在新设施中进行全部地面试验直至在现有设施中进行部分塔架试验。

如果核推进装置存在着唯一弱点的话，那就是这些问题，利用核推进装置返回月球的优点在于，它及早提出这些潜在的政治上爆炸性问题。正如一位核工程师所说，“如果他们不让我们使用它去火星的话，我们马上就会明白这种情况。”

分担代价

使用核推进装置进行月球探索可以提供一种不可忽视的政治上好处，博罗斯基辩解说：公众往往把它看作一种革新，而化学推进装置则可能仅仅被看成是重现“阿波罗”年代。

核推进装置享有另一种“政治上”好处。因为能源部和国防部已经做了大量相当有利的工作，它很容易接近市什所说的把它们包括在空间探索倡议之中的目标。至少有一位国家航空航天局官员提到，它将给这两个部开始开出部分支票。

核推进装置——不要与在航天器上供应电力的核动力系统混为一谈——比化学发动机更加有效地使用推进剂。核热火箭发动机给推进剂（以液氢为代表）加热，使之迅速膨胀，产生推力。

核发动机的比冲（衡量推进剂的效率，以秒为单位）已经达到大约850秒，而最好的液氧/液氢燃烧发动机只接近500秒。

在休斯敦国家航空航天局月球/火星探索计划中担任任务设计师的戴维B. 威弗（David B. Weaver）说，他的办事处和宇航员部队都是很谨慎的，不会成为任何一种推进装置的辩护者。但是他说，逐渐地，他们把核推进装置看作载人飞往和离开火星的最安全手段。

“我不会告诉你：我们不使用化学推进装置去执行任务”，威弗说。“我可以告诉你：如果你用化学推进装置去执行任务的话，那你就会把乘员暴露于更加危险的境地。”

使用核推进装置执行任务的方案可以缩短去火星的时间（乘员暴露于受银河宇宙射线威胁最大的时间）。特别令人感兴趣的一组任务，威弗说，需要120-180天飞往火星，在火星上停留600天，再花90天返回。把两次往返隔开，可以明显降低不利的失重影响。

此外，核推进装置扩大最佳发射时间，增加任务夭折的可能性（译者注：原文可能有误，改为减少任务夭折的可能性较为妥当），被认为是更简单更可靠。

在刘易斯的热核火箭基本设计的方案中，推进装置是按照西屋公司（Westinghouse）和航空喷气公司（Aerojet）于60年代初开始为国家航空航天局研制的火箭飞行器用的核发动机派生的推力为75，000英磅发动机制造的。然而，博罗斯基说，模块式系统有可能很容易地接受其它核热火箭系统，例如据报道列入国防部代号为“森林之风（Timberwind）”保密项目中正在研制的粒子床反应堆。

由火箭飞行器用的核发动机派生的发动机的固体芯子核热反应堆将使用碳化铀粒子加入石墨而构成的六角燃料元件，在2，500 K条件下产生1，650兆瓦动力，适当改进的由碳化铀和碳化锆而构成的复合燃料允许燃料温度稍微提高一些，大约为2，700 K。在燃烧室压力为1，000英磅/平方英寸和喷口膨胀比为500：1情况下，该发动机将产生925秒比冲。

自1972年火箭飞行器用的核发动机被撤消以来，在所开发的技术基础上作了一些其它方面的改进，将制造出推重比至少为4：1的发动机，博罗斯基说。

在有人驾驶的火星任务的大多数方案中，将使用2台或3台这类发动机，以便缩短时间和提供余度。

一个装一台发动机的飞行器足以成为在所谓“分裂/冲刺”火星任务方案中领头的飞行速度较慢的无人驾驶的运货飞行器。

博罗斯基预计月球运输飞行器将装一台发动机，在装有载荷情况下，在地球低轨道上初始质量为218吨。

刘易斯核热火箭推进的月球/火星航天器系统从推进舱着手，这种推进舱可以用大力神4号或航天飞机发射。

其它部件——飞行器中央推进剂箱；辅助推进剂箱和载荷——其尺寸都做成可由能载150，000英磅载荷并具有30×20米保护罩的重型运载火箭来运载。

可以进行装配的这种系列飞行器有多种型式，从月球飞行器（需要2个重型运载火箭）直至“最终的”有人驾驶的火星飞行器（载着货物和供返回地球用的燃料，它需要5个大型运载火箭）。

克拉克说，国家航空航天局发现刘易斯核推进装置工作大有希望，它的经费已经增加10倍，从1991年50万美元增加到1992年500万美元。

苏联有一项核推进计划，不过在最近几年放慢了发展速度。他们主张研制在固体芯子反应堆中温度能达到3，400 K的核热火箭发动机——明显高于美国的火箭飞行器用的核发动机基准温度2，350 K。他说，从苏联购买这种发动机进行研究，对于美国核推进计划来说，将是“一个良好的目标”。

刘易斯和喷气推进实验室还在研究核电推进装置，其中由反应堆产生推力。第一种方案，称为静电推力器，诸如氩和氙推进剂被离子化，然后从推力器喷出。另一种方案，把氢变成等离子体、以电磁力推动飞行器飞行。

核电推进装置是极其有效的，据在刘易斯领导核电推进项目的迈克 · 陶赫蒂（Mike Doherty）说，达到5，000~10，000秒比冲是可能的。

但是，由于核电推进飞行器在地球低轨道装配之后推力重量比小，它将被缓慢地推进到非常高的轨道，乘员将在那儿加入，构成小型快速“滑行”飞行器。总的燃烧时间可能是10，000小时。