发射最佳时刻的技术

发射最佳时刻的技术

核火箭的发射在对美的探索中，人们总是不满足于仅在发射高速飞行的小型探测器。我们会设法将航天器发射到环绕这些酷热的庞然大物的轨道上去,让机器人登上它们的卫星,甚至采集岩石和泥土的样品,然后把它带回地球。最后,我们会要求将宇航员送到它们的神奇的卫星上去,这是至少三两个被认为有丰富的液态水的卫星(我们知道,水是生命的基本需求)。完成这样的飞行任务,我们需要的不是化学燃料而是以核裂变为动力的火箭。化学火箭曾经为我们工作得很好,但是一定质量的化学燃料可提供相对较低的能量,使航天器的作用受到严重的限制。比如,要到达外层行星,一艘由化学动力推动的太空飞船,只能有非常有限的质量,还要利用行星的引力来“加速”:飞船在加速中靠行星足够近,行星的引力场起到“弹弓”那样的作用提高飞船的速度。要利用这样一些加速,飞行计划人员必须等待“发射最佳时刻”——即飞船被发射到行星的适当位置,使它能被加速飞向更遥远的物体的那个短暂时刻。用技术上的术语来说,化学火箭具有低的“最大速度增量”。意思是说,它们的排气速度(燃气离开火箭燃烧室时的速度)不高,不足以给火箭传递甚高速度。最好的化学火箭,以氢和氧之间的反应为基础,给离开地球轨道的航天器传递的最大速度增量是每秒10公里。反之,核火箭传递的最大速度增量大约是每秒22公里。也就是说,这样高的数值使直接飞到土星成为可能。航行时间从大约7年降低到3年。这样的核火箭有着它固有的安全性和环境的优良性。与通常的认识相反,核火箭发射时不是非得有强放射不可。用核能推进器的航天器,发射时在有效载荷的顶部装有传统的化学火箭,当有效载荷到达约800公里以上的高地轨道时,核反应器开始工作。制造由核裂变发动的火箭发动机所要求的技术并非高不可攀。事实上,我们已经设计出一种叫做Mitee小型核火箭发动机,它可以在6～7年内制造出来,成本6亿～8亿美元。对于太空发射来说,这个成本是适中的。实际上开发发动机的成本可由将来节省发射成本来弥补。根据是,由发动机推动的核航天器不需要拖载笨重的化学推进剂,那么它的发射就不需要像发射大力神Ⅳ那样要耗资5.25亿～5.325亿美元。可以用低价火箭诸如Delta和Atlas来代替它,只要耗资0.5亿～1.25亿美元就够了。在我们的设计中,反应堆核燃料制成环状卷筒中的穿孔金属片,像中心空洞的胶卷筒。用锂7的氢化物做的外套覆盖在燃料筒的外面,起到减速器的作用,使中子放射的速度降低。中子是燃料内部核裂变产生的。冷却剂——液氢,会从卷筒外向内流动,在它被加热流向中心时很快变成气体。过热的气体(约2700℃)以高速沿中心轴的通道流动,到通道末端经过一个小小的喷咀流出筒外。核推进器的主要引人之处在于它的推进剂——氢。因为它可以到处采集;它以气体形态存在于太阳系外层的巨大行星和遥远的卫星及行星上。由于核燃料可以持久,所以核动力飞行器理论上说可以在太阳系外层遨游10～15年,只要按需求装满推进剂就行了。飞船可以用几个月的时间飞到木星、土星、天王星、海王星的大气层,收集有关它们的成份、气候以及别的特性的详细数据;也可以飞到欧罗巴、冥王星、泰坦去采集岩石标本;还可以从电解被融化的冰水中收集氢气,供飞回地球之用。由于反应堆在离开地球后状态良好,所以核动力航天器实在比有些用化学推进器推动的外层空间探测器安全。在太阳系的有效区域内,太阳射线太弱了,无法为航天器提供能量,因此一般都用钚238来做动力源。钚238是高放射性物质,即使在发射时也不例外。另一方面,在核推进器的探测器中,仪器是在提供推力的反应堆之外运转的。而且,产生出来的放射性废料的数量可以忽略不计。一次外层空间飞行大约有1克裂变产物。核火箭不是什么新东西。美国国防部在这个领域里的项目是20世纪80年代后期的太空热核推进计划。它的目标是开发一种小型的、轻量的、国防上用的核发动机。设计以粒子板反应堆(PBR)为基础,其燃料是由小而紧密的铀的碳化物所组成,外面罩上锆的碳化物。虽然PBR的工作在完备的(不是小尺度试验性的)核发动机制造出来之前就结束了,然而工程师们以所获得的高动力密度的观念和验证材料为基础,成功地制造出低动力密度反应堆,并付诸运转。确实,Mitee发动机极大地归功于PBR的努力,为此我们在布鲁德海文实验室工作了近10年。除了燃料部件的环状构造相同,Mitee也应用了轻量的热稳定锂7的氢化物作缓冲剂。不过我们所设计的Mitee的燃料装置的动力密度只有约每公斤1000万瓦,而不是PBR的3000万瓦。不难看出,如果只用化学火箭,我们探测外层行星及其卫星的能力事实上是脆弱的。近期内,惟有核火箭能够给予我们这样的动力、可靠性和灵活性,它们是极大地增进我们对太阳系边缘的广大而神秘的世界的理解所必需的。——JamesR.Powell(本文作者是美国特种尖端技术公司总裁。)推进聚变的基本技术虽然星际旅行至今仍是未来学的绚丽梦想,然而工程师和科学家已经在探索这个课题,进行相关的实验;这些工作都有可能引导到把航天器加速到足以航行到远离太阳系边缘的技术。一种以核聚变为基础的推进系统可以把人类带到外行星,还可以把机器人航天器推进几千个天文单位(1天文单位是地球到太阳的平均距离,1.5亿公里)到星际空间。这样的系统大概在今后几十年里可以制造出来。最后,甚至用物质和反物质相互湮灭时的燃烧来推动的更强大的发动机,可能把航天器送到附近的恒星。这些奇异模式的推进器的迷人之处,在于它们可以从给定质量的燃料中释放出难以想像的大能量。例如,一聚变基的推进系统,理论上可产生每千克燃料1014焦耳的能量。这样的能量密度比用来推进今天的航天器的化学火箭的相应数值要大1000万倍。物质-反物质反应开发起来困难更大,但它们每千克燃料能够产生2×1016焦耳的能量。这样大的能量足以供应全球能量需求达26分钟。核聚变中,在足够的高温和高压下,非常轻的原子聚集到一起,经过足够长的时间,熔合成更重的原子。反应物和反应产物之间的质量差等于释放出来的能量数。这可以按照爱因斯坦的著名公式E=me2计算出来。反物质很少,而利用聚变所碰到的障碍也令人望而生畏。无论是火箭推进还是在地上能量连锁反应阶段,控制聚变的概念都可以分为两类。这些种类指的都是用来限制极端高热的荷电气体,即等离子体的技术(聚变是在等离子体中发生的)。在磁禁闭聚变中,强磁场包容着等离子体;而在惯性禁闭聚变中则依靠激光或离子束去加热或压缩一小团聚变材料。1997年11月,研究人员利用磁紧闭方法引发聚变反应所产生的能量,是启动这一反应所供应的能量的65%。这个里程碑是在英格兰的欧洲联合回旋加速器树立起来的——托卡马克反应堆等离子体就在这里受到磁紧闭。商用聚变反应堆应当产生出比为启动和维持反应而加入的能量多得多的能量。从20世纪50年代以来,科学家提出了几十个聚变火箭的概念。尽管聚变会产生出大量的高能粒子,但是只有当这些粒子能被引导到定向地产生推力,这个反应才能给航天器加速。在以磁紧闭为基础的聚变系统中,策略是输入燃料以支持反应,同时让一部分等离子体逃逸出来去产生推力。由于等离子体会破坏任何被它烘烤的容器,由一个部件产生的强磁场会有效地引导荷电粒子流出火箭。研究人员把这个强磁场称做磁喷咀。在以惯性禁闭为基础的发动机中,高能激光或离子束点燃小小的聚变燃料舱,每秒大约30次。磁喷咀也足以有向引导等离子体流出发动机而产生推力。在聚变反应中产生的粒子取决于所用的燃料。最容易发生反应的是在氘和氚之间。这是氢的两种重同位素。它们的原子核除了1个质子,还分别包含一个和两个中子。反应产物是中子和氦核(也叫α粒子)。对于推力来说,带正电荷的α粒子是我们所希望的,而中子则不然。中子不能被有向引导,因为它不带电。它们的动能可以用于推进器,但是没有方向。这要把它们拦阻在一种材料上,然后利用截获它们时所产生的热。中子辐射还对乘务人员造成威胁,必须采取许多屏蔽措施以保证驾驶任务的完成。这些事实提出了聚变材料选择中一个关键性困难。虽然在氘和氚间发生聚变最容易,但是对许多推进概念来说,应用氘和同位素氦3(两个质子,一个中子)更为合适。这些核的聚变产生1个α粒子和1个质子,两者都可以用磁场操纵。问题在于地球上同位素氦3极其稀少。再者,氘-氦3反应比氘-氚反应更难点燃。但是如果把聚变燃料的选择撇在一边,那末要把人类带到太阳系的外层区域或者进入星际空间,一架几千吨重的航天器(大部分是燃料)就是必不可少的了(可以比较一下,洲际太空站具有约500吨的质量)。聚变推进器的这些关键障碍:从受控反应中获得高动力;制造有效容器和磁喷咀;找到足够的燃料等;其中任何一个障碍似乎都是不可超越的。然而任何一个至少还存在未来解决的闪光。首先,有充分理由相信,聚变反应远不是打成平手,即不是反应产生的能量与供应的能量一样大。在美国,惯性禁闭的工作作为乘员飞船计划的一部分享有优厚的资金支持。研究人员正在按照这项计划,寻求保证未经试射的热核武器的安全性和可靠性的方法。他们正集中精力在装配劳伦斯利弗摩尔国家实验室的点火反应堆。这一反应堆预期在2001年起用。至2003年,可达到在10亿分之4秒内用180万焦耳的全激光能量启动。研究人员预期,以这样的动力所释放的能量是启动反应所需能量的10倍。还有迹象表明,托卡马克反应堆(它支持磁禁闭研究)可能有一天会被更小型的也更经得起检验的火箭推进技术所取代。1996年,美国能源部聚变能量科学委员会批准了这个有前途的磁禁闭计划的研究工作(作为逆场箍缩、反场构形和球形托卡马克)。同时,工作人员已开始磁喷咀的先期工作。最大规模的研究是一个合作项目——由美国航空航天局(NASA)、俄亥俄州立大学和阿拉莫斯国家实验室联合进行的。他们正在应用非常高的电流来产生等离子体,在实验中把它当作聚变等离子体,然后研究它与磁场的相互作用。聚变燃料问题也许是容易对付的。虽然地球的氦很少,然而月球泥土中有比较大量的氦,木星大气中亦然。地球上还有别的元素,如硼,也可以作为聚变反应物。它不易点燃,但能产生α粒子。在聚变推进器的全部希望中,还有一种著名的物理现象:物质-反物质的湮灭。给定质量的反应物质,它所释放的能量更大一些。以这个原理为基础的太空推进系统可以利用质子和反质子的相互湮灭。这种湮灭带来一系列的反应。首先发生π介子。这是一种短寿命粒子。一部分π介子在磁场作用下产生推力。它是物质—反物质湮灭产生的,以近乎光速运动。然而再一次遇到那个关键困难是它的稀少。在高能加速器产生的反质子数,全世界加在一起一年也不过几十毫微克(10-9克)。要在一次飞行中把人带到最近的恒星(邻近半人马座恒星)上去,物质—反物质驱动系统需要几吨的反质子,而俘获、储存和操作反质子则是面临的另一个重要挑战,因为反质子是在与普通质子接触时才发生湮灭的。尽管如此,它还是可能利用的,即使是在更小的范围内。当需要反质子的数量少得多时,很可能在下一个10年中得到反质子的高能量值。这样的系统可利用反质子来触发初始的禁闭聚变。反质子会穿入重原子的核,与质子相互湮灭,造成重核裂变。强大的裂