(月球基地想象图)
自人类上个世纪六七十年代完成登月壮举后,各国对于登月这件事都保持着谨慎的态度。直到21世纪美国、俄罗斯在内的航天大国才再次掀起一股登月热潮。就拿今年的美国来讲,其在太空探索方面可谓是大动作频频。先是表态要继续推进太阳系探索计划,紧接着又提出要在年让美国宇航员重返月球,到5月份又批给NASA多达1.25亿美元用于开发核热推进技术。也许有人会问,美国为什么要重启登月计划呢?其实,美国重返月球只是NASA星际探索计划的一小部分,真正的目的在于,要在月球上建立一个核热推进传送器,以便将宇航员送到更远的太空。
(核裂变推进系统示意图)
乍一听核热推进传送器这个名词,相信大家脑子里大多会有一个问号,这是种怎样的高大上设备啊!莫非是科幻小说或电影中的传送装置?其实不然,要想了解核热推进传送器,首先要知道什么是热核推进。所谓热核推进是指利用核裂变能加热工质,再将加热后的高温高压工质定向喷出而获得推力。这种推进方式具有功率高、寿命长、比冲大、不受外界环境影响等特点,在执行长时间深空探测和星际航行任务时具有不可替代的优势。而核热推进传送器就是利用核热推进方式的核热推进火箭,这种核热推进火箭采用具备及高能量密度的热核反应系统为能量源,根据反应类型又可分为核裂变与核聚变两种方式。
(升空过于暴力的猎户座核动力火箭)
说起核热推进火箭,也许对航空航天感兴趣的朋友 时间会想到猎户座这个很强很暴力的核动力火箭。这里需要说明一下,核热推进火箭与猎户座核动力火箭还是有明显区别的。猎户座核动力火箭采取的是核裂变脉冲推进方式,说简单点就是用一连串核弹爆炸来推动火箭前进。按照美方科研人员的测算,只需在火箭尾部按照每10秒一枚的速度,连续爆炸50枚小型核弹,就能把火箭加速到70公里/秒。在航天领域,这种对于核能的利用只是最粗浅、最暴力的一种方式,如果想制造此类核火箭,人类在上个世纪六七十年代就能实现,远不用现在再重新研制。
(核热推进火箭的发展历程)
而目前所研制的核热推进火箭是上世纪60年代在NERVA(NuclearEngineforRocketVehicleApplication,中文意思是:火箭飞行器用核引擎)项目中提出的。该项目是美国原子能委员会和美国国家航空航天局旗下的项目,它论证了核热推进火箭可以成为太空探索中一项现实可靠的工具。作为一种理想的兼顾高推力和高效率的推进系统,核热推进将铀做成核裂变反应堆芯的燃料棒,将氢气作为冷却剂。穿过类似蜂窝结构的反应堆芯后,吸取了大量热量的高温等离子氢气经喷管高速排出后即产生巨大推力。到目前为止,核热推进火箭已经发展到了第三代。
( 代KIWI-A核热推进火箭样机)
(第二代太阳神(Phoebus)核热推进火箭样机)
代核热推进火箭被称为KIWI-A/B系列与KIWI-TNT爆炸样机(后面会专门说明,非常有意思),于年和年进行测试,主要用来证明用液氢作为推进剂在高温条件下的操作可行性。第二代核热推进火箭被称为太阳神(Phoebus),旨在实现更高功率和温度。而目前第三代的核热推进火箭被称为美洲小燕(Pewee),最初该火箭与前两代一样,采用液氢作为推进剂。由于液氢容易气化难以储存,无法成为太空中长期飞行的推进剂,因此后来采用了液氨作为推进剂。当改用液氨后,核热推进火箭的推重比和耐储存性都有了质的提高。
(KIWI-TNT破坏性试验爆炸瞬间)
(爆炸过后科研人员找到的残骸)
在简单了解了核热推进火箭的划代后,再来和大家聊聊KIWI-TNT爆炸样机,毕竟在如此硬核的科普文章中,出现这么有意思的故事实数难得。众所周知,普通核电站一般使用丰度为3%的低浓缩铀,而为了提高核热推进火箭的推力、缩小其体积,科研人员给反应堆使用的是丰度超过90%的武器级浓缩铀,没错,就是核弹里用的那种!那么,如果核热推进火箭因为种种事故爆炸的话,会产生怎样的后果呢?为了摸清最坏的情况会如何,科研人员进行了名为KIWI-TNT破坏性试验。实验开始后,核热推进火箭的反应堆直接达到超临界状态,仅仅毫秒后,核热推进火箭就发生了爆炸。不过,领科研人员感到欣喜的是,此次爆炸只是普通爆炸,并没有引发可怕的核爆炸。看来核热推进火箭最坏的情况不过如此,这也为后来科研人员继续研制核热推进火箭服下了一颗定心丸。
按照NASA的预计,核热推进火箭的比冲为化学燃料火箭的两倍,可以使到达火星的时间缩短一半。如果真能在月球上建立一个核热推进传送器,那么人类前往更遥远的星球将变得更加容易。也许在可以预期的未来,人类探索深空的技术将再次迎来质的飞跃。