太空远征军：核动力飞船

2015-01-18谢懿编译

太空探索 2015年10期

□ 谢懿/编译

以核动力为能源使得卡西尼土星探测器免于携带面积达500平方米的太阳能电池板

为了超越无穷大，我们兴许不得不求助于无穷小。来自原子核的驱动力正在推动太空探索的下一波浪潮。

在距地球表面1300千米高的轨道上，有一个已被关闭的核反应堆。它于1965年被发射入轨，用来研究以核能作为航天器能源的可行性。自核能被发现之日起，它就在一直被视为最具雄心的航天器的核心,它们飞到了比任何其他人造物体都更为遥远的地方,它们从来没有因为无法工作而被弃之不用,事实上，它们的问题也许就在于它们实在是太好了。

绝大多数飞船都由电池来提供电力，而电池则由太阳能电池板来为其充电。无论是太阳能电池板还是电池都易于制造且十分可靠，但也有一个重要的缺点：随着到太阳距离的增加，它们的产能效率会显著降低。

在土星轨道上，太阳能电池板的效率只有正常情况下的百分之一。如果2004年飞抵土星的卡西尼探测器也使用太阳能电池板的话，其面积将达到500平方米，相当于大约2个网球场那么大！为了避免由此带来的复杂性和额外的重量，类似于“卡西尼”这样的深空探测器都会转而使用核动力。

太空中的核能

放射性同位素是化学元素不稳定的形式。当它们衰变成更加稳定的状态时，会释放出一种或多种辐射以及一定的热量。对于能源来说，热量是有用的部分，而辐射则是需要额外处理的副产品。不同的同位素衰变速度各有不同，产生的热量和辐射也不尽相同，因此选择合适的同位素至关重要。

例如，钚-239的半衰期为24100年，太过漫长而无法使用。此外，若密度过高，它还会引发核爆炸。然而，和钚-239仅相差了一个中子的钚-238却是用于驱动太空飞船的最佳同位素。它不能被用于制造武器，不会发出最有害的γ射线，半衰期也只有88年。

这么长的半衰期足以为一个持续10或20年的任务提供足够的电力，同时又不需要携带大量的钚-238。一小块钚-238就能释放出许多热量，把自己都“烧”得通红。“卡西尼”上装载有33千克的钚，能为其提供超过600瓦的电能。若使用太阳能板，所需的尺寸、质量和复杂性都会急剧增加。

风险何在？

那么，为什么不是所有的太空飞船都使用核动力呢？环境污染的风险是一方面的考虑。核动力飞船有可能会在发射台上、升空过程中或者是重回大气层时爆炸解体。

但其实核动力能源实际上比很多人所想的要安全得多。放射性燃料会被装入多个陶瓷盘内。它不溶于水，也十分耐热。每个盘会被金属铱包裹，再使用石墨来密封。然后所有的燃料块会被打包进一个保护壳内，以抵御大气层再入时的高温和冲击。

用于放射性同位素热电发生器的钚-238燃料块

在“阿波罗”13号任务中断返回地球时，它仍然携带了3.8千克的钚-238。这些核燃料本该用来为月球表面的实验设备提供动力。任务控制人员特意制定了登月舱分离的时间，让它掉进太平洋中的汤加海沟。核燃料容器在再入大气层和冲撞中都没被破坏，目前正躺在6千米深的海底。其安全壳至少能在800年的时间里抵御海水的腐蚀，到那时它基本上已失去了放射性。

即使在最坏的情况下，钚燃料在再入时被烧毁，其灰烬扩散至全球，由此造成的危害也很小。美国航宇局估计，如果“卡西尼”对环境造成污染，有可能会引发5 000个癌症死亡病例。这听起来好像很多，但它对全球癌症死亡率的贡献只有0.0005%；而出现状况的概率大约是一百万分之一。

核动力飞船的一大缺点是，它所使用的钚-238是武器级钚-239的副产品。自冷战结束后，美国和俄罗斯已停止制造核武器，当前钚-238的库存也几乎耗尽。美国航宇局现在只剩下16千克，这其中有三分之一要专门用于2020年发射的火星车。

重启钚生产将会是一个漫长的过程——它需要进行核裂变反应。如果用1个中子轰击1个铀-235原子，它会分裂成1个氪-92原子和1个钡-141原子。这个反应也会释放出另外3个中子，它们可以轰击其他的铀原子进而重复这一过程。

核裂变火箭

安装在航天器上的核反应堆可以使用由裂变释放出的能量来加热一股氢气流，然后将它从火箭喷嘴喷出，它的速度会远高于单纯燃烧氢与氧。这种设计被称为热核火箭，理论上其效率至少是常规化学火箭的2倍。

1966年，美国洛斯阿拉莫斯实验室曾制造了一个实验性的发动机，作为1978年美国航宇局载人火星任务的一部分。1972年，由于预算原因，该项目被取消，但这个发动机的原型机被认为取得了圆满成功。虽然它从未飞过，但它在地面上进行了成功的测试，以满负荷运行了28分钟。不过，还有一个更为高效的核推进方式，它直接利用核爆炸,被称为核脉冲推进。它会在飞船的后方引爆一系列小型的核弹。这些爆炸会推动一块重型的钢板，它连接着阻尼活塞，以此来把爆炸冲击减缓成连续的加速。1958年通用原子公司对此进行了认真的研究，被称为猎户座计划。

它打算每秒钟爆炸1颗核弹，使用800颗核弹来把航天器送入轨道。每颗核弹都有专门的聚能装药设计，减少爆炸能量的浪费。爆炸产生的等离子体会以67000℃的高温冲击钢板，但试验表明钢板真正吸收的能量其实很少。另外，还需要涂一层薄油来防止反复爆炸对钢板所造成的侵蚀。

普通的火箭越大越难设计，但对于猎户座计划而言，它面临的挑战却是如何造一艘小型的飞船。它究竟有多小，取决于你制造的核弹有多小。最小核弹的当量也许为0.03千吨TNT炸药，相当于广岛原子弹的1/500，可以驱动一艘880吨的飞船——比“德尔塔”IV重型火箭还重。

出乎意料的是，扩大飞船的质量并不需要更多的铀，只需要使用更多的常规炸药来把核弹中的铀压缩到更高密度，让它更有效地裂变即可。设计中最大的猎户座飞船重达800万吨，长400米。这就好比把一个街区发射进入太空！

猎户座计划曾使用飞行测试模型来佐证其基本原理，但使用的是常规炸药而不是核弹。然而，由于1963年签署的《部分禁止核试验条约》——禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验，该计划最终被取消。

核聚变火箭

“卡西尼”土星探测器上的放射性同位素热电发生器

部分是为了规避这一限制，1973年英国行星际学会开始设计一个核动力行星际探测器，它将在轨道上进行组装，被称为代达罗斯计划。该计划将使用5万吨氘和氦-3，由电子束来点燃核聚变反应，驱动450吨的有效载荷加速至光速的12%，进而在50年之内抵达6光年之外的巴纳德星。虽然代达罗斯计划背后的科学原理非常坚实，但它在工程上的挑战远远超出了当时以及现在可及的范围。光是收集足够的氦-3燃料就需要悬浮在木星大气中的采矿机器人工作20年的时间。

脉冲核聚变也许仍是未来的手段，但电离子驱动却已经是成熟的技术了。美国航宇局的曙光探测器和日本的“隼鸟” 2号都已经证明，电推进系统能以低廉得多的成本获得极高的效率。但如果离子引擎由核反应堆而非太阳能电池板供电的话，其可用的推力会急剧增加。

俄罗斯的克尔德什研究中心正在研发一个由一兆瓦核反应堆所驱动的核电推进系统。它的功率是使用太阳能电池板的曙光探测器的750倍以上。其原型机计划于2020年进行飞行试验。它可以用作核动力太空拖船，把卫星送入更高的轨道，或者是清除太空垃圾。

对于太空飞行而言，核时代似乎才刚刚开始。