鄒聲武

30多年前一些預言家曾指出，在“阿波羅”計劃之后，將出現(xiàn)商業(yè)空天飛機、永久性空間站以及人們將在地球和月球聚居地之間往返飛行。目前，美國航空航天局正在建造國際空間站，還在驗證單級入軌可重復使用的運載器技術(shù)。今后10～15年，可能開發(fā)出兩項關(guān)鍵技術(shù)——更先進的核推進技術(shù)和月球氧。這兩項技術(shù)將為未來的更先進、更經(jīng)濟的月球運輸系統(tǒng)打下基礎。

兩項技術(shù)

目前航天運載火箭的推進技術(shù)，大部分是采用液氧/液氫化學推進劑，或是一次性使用的或是部分可重復使用的。為實現(xiàn)經(jīng)常性的月球飛行，需要新的推進技術(shù)，熱核火箭便是其中之一。

90年代初，美國劉易斯研究中心研究了熱核火箭發(fā)動機的推力，即核裂變能火箭的推力。研究表明：核火箭發(fā)動機比沖高（850～1000秒），推力大（6795～33976公斤力）。熱核火箭有許多優(yōu)點：1崩用它可完成整個空間飛行的推進任務；

2比群嘶鵂推進的月球運載器和月球著陸器可重復使用；

3庇氬糠摯芍馗詞褂玫目掌制動化學推進系統(tǒng)相比，其近地軌道初始質(zhì)量更小。

不過，它的可重復使用性能也存在先天不足。其一是它只能在大氣層外使用。因此，必須在近地軌道建造永久性設施，如液氧推進劑補給站或一次性使用的推進劑貯箱，以便給熱核火箭添加燃料。其二是它專門使用低密度液氫。這就增加了月球運輸飛行器的尺寸，而且需要直徑10米的有效載荷防護罩加到運載火箭上。

1994年，美國劉易斯研究中心和航空航天局提出一種“液氧增強型熱核火箭”方案，就是把傳統(tǒng)的液氫冷卻的熱核火箭與超音速燃燒沖壓式發(fā)動機技術(shù)結(jié)合起來。它的主要組成部分包括一座核裂變反應堆和使推進劑受熱膨脹加速的噴管、液氧供給系統(tǒng)和貯箱，以及一個閉合的用于產(chǎn)生電能和加速發(fā)動機冷卻的“比瑞頓”循環(huán)系統(tǒng)。在“液氧增強型熱核火箭”運轉(zhuǎn)過程中，氧被注入熱核火箭噴管的大型擴散段。該噴管相當于一個“后燃燒室”。被核反應堆加熱的氫從噴管喉部噴出，并與氧在噴管擴散段自發(fā)地燃燒，從而增加了超音速燃燒沖壓式發(fā)動機推進所必需的質(zhì)量和能量。

“液氧增強型熱核火箭”有潛力成為通用的推進系統(tǒng)。通過改變氫氧混合比，核反應堆產(chǎn)生相對穩(wěn)定的輸出能量時，就可以使該熱核火箭在更寬的推力和比沖范圍內(nèi)工作。其推力增加了，這種更小、更便宜、更易于測試的熱核火箭發(fā)動機就可以替換通常采用化學推進劑的“大發(fā)動機”，并縮短了燃燒時間，延長了發(fā)動機的使用壽命。而且，“液氧增強型熱核火箭”將會更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而直接補充月球氧，這將極大地減小運載器的尺寸和質(zhì)量，增加了有效載荷的重量。

月球表面有豐富的氧，幾乎一半的月球表面物質(zhì)都是氧，而且有多種技術(shù)將其提煉。“阿波羅”17號登月飛船采集來的富鐵火山巖或稱“桔紅色土壤”的這種物質(zhì)，是月球氧的生產(chǎn)原料。這種物質(zhì)大量存在，并已被顆?；?，可不經(jīng)處理直接供給未來的月球氧生產(chǎn)廠。美國約翰遜航天中心作過實驗，大約25噸富鐵火山巖原料可生產(chǎn)一噸氧。將來，月球氧可為生命保障系統(tǒng)、燃料貯箱和月球著陸器的液氧/ 液氫化學火箭發(fā)動機提供氧源。在月球上生產(chǎn)的氧如此豐富，可以使運載器從地球上攜帶的氧大為減少，并減小運載系統(tǒng)的尺寸。運載器節(jié)省下來裝填液氧的空間，可以運送大量高價搭載物，如人、實驗設備和科學儀器等。

登月之初，核反應堆將起著關(guān)鍵的作用。在兩個星期的時間里，核反應堆在低重力條件下可提供足夠的能量，以保障遙控月面車輛、生產(chǎn)廠和居住艙的連續(xù)運轉(zhuǎn)。隨著月球氧生產(chǎn)規(guī)模和性能的提高，其應用范圍也將擴大，包括金屬加工（如鐵和鈦），月球著陸器和近月軌道推進劑補給艙的維持、運轉(zhuǎn)，以及為開發(fā)月球旅游業(yè)服務。

如何將理想變?yōu)楝F(xiàn)實

美國航空航天局研究過利用月球軌道匯合點，實施月球旅行、建立月球運輸系統(tǒng)的任務。其構(gòu)想是：（1）減少空間基礎設施的早期投資；（2）取消體積和重量都很大的起飛助推器；（3）盡可能增大每次在月球登陸的有效載荷；（4）盡量減少月球往返旅途的“重復使用費用”。為了達到上述目的，可采取如下的做法。

第一步，先建造月球氧生產(chǎn)廠。使用一次性的“完全液氫”的熱核火箭，最大限度地向月面運送有效載荷；每次飛行增加的有效載荷專門用于運送“模塊化”的月球氧生產(chǎn)設備，開發(fā)和應用月球氧；盡早為月球著陸器和月球運載器充氧，并逐漸過渡到使用“液氧增強型核火箭”。

然后利用政府撥款的節(jié)余和月球氧工業(yè)的利潤，發(fā)展另外的“空間設施”，如建造近地軌道和近月軌道推進劑補給站，以支持以后的運載器的重復使用。

在建成了月球氧補給站之后，可使用兩架推力為66噸的航天飛機，將設備部件運送到近地軌道的匯合點，完成飛向月球運載器的組裝。

當月球前哨的重要器材和月球氧的生產(chǎn)水平足夠支持以月球表面為基地的月球著陸器時，就算成功地邁出了減少空間運輸費用的第一步。而一次性使用的熱核火箭也有了足夠的推進劑在重復使用的模式下運轉(zhuǎn)，它能將至少9噸的有效載荷運到近月軌道。在每次執(zhí)行新任務之前，一次性使用的航天飛機推進劑貯箱將為熱核火箭重新加注燃料。

第二步，當月球氧可在近月軌道使用時，兩個推力為6795公斤力的熱核火箭將采用液氧推進劑補給系統(tǒng)和雙推進劑工作的加力燃燒室。最初應用這個“液氧增強型熱核火箭”的是較小的、可重復使用的月球運載器。它每次飛行至少能將36噸貨物和地球供給的液氫送到近月軌道。以月面為基地的月球著陸器將運送月球氧到近月軌道補給站，之后裝上從地球運來的液氫和其他貨物返回月球。

采用“液氧增強型熱核火箭”為動力的月球運載器，返回地球時可以多帶回21噸月球氧。在往返路上，“液氧增強型熱核火箭”發(fā)動機的氫氧混合比為3，推力可提高到275％。推力的增加將整個飛行工作時間減少了約30分鐘，因此，可成倍延長“液氧增強型熱核火箭”發(fā)動機使用壽命。

典型的月球旅行方案

隨著月球氧的大量生產(chǎn)和以可重復使用的“液氧增強型熱核火箭”為基礎的月球運輸系統(tǒng)的投入使用，最初的月球前哨基地，將成為代表政府和私營風險事業(yè)的科學家和工程師們永久性定居點?！耙貉踉鰪娦蜔岷嘶鸺狈桨缚墒箍焖俚亟?jīng)常往返于地球和月球之間的航天飛機變?yōu)楝F(xiàn)實，這種航天飛機單程往返一次的時間約為24小時——相當于從華盛頓特區(qū)到澳大利亞悉尼的時間。在“阿波羅”計劃中，用“土星”5運載火箭3天半到達月球，飛行速度需要41公里／秒；而24小時到達月球的旅行，飛行速度要達到69公里／秒。

裝備“液氧增強型熱核火箭”的航天飛機可以在一天內(nèi)將15噸搭載貨物運抵月球。在通常往返于地球和月球之間的飛行中，我們假設“液氧增強型熱核火箭”航天飛機使用“地球供給”的43噸液氫與105噸液氧，以及92噸月球氧，它的兩臺“液氧增強型熱核火箭”發(fā)動機整個工作時間約47分鐘，那么，它離開時氫氧混合比為4（總推力約為4391公斤力，比沖約為607秒），歸航時混合比為6（總推力約55266公斤力，比沖約545秒），幾乎是達到了最佳性能，這樣的性能允許運載器組件可以制作得足夠大。其乘客艙直徑大約46米，長約8米，能用當前的航天飛機或下一代可重復使用的運載火箭將其運抵近地軌道。

“液氧增強型熱核火箭”推進與月球氧相結(jié)合的推進系統(tǒng)，可以達到約1500到2000秒的“有效比沖”，是相當高的性能指標。相比較而言，一個使用化學推進劑的先進推進系統(tǒng)（推進劑質(zhì)量系數(shù)為088，比沖約為480秒），其近地軌道初始質(zhì)量和需要的月球氧，比執(zhí)行同樣航天飛行任務的“液氧增強型熱核火箭”高出2到3倍。

那末，空間旅行如何開始呢？乘客首先搭乘一架未來的穿過大氣層的航天飛機或可重復使用的運載火箭飛往國際空間站。在那里他們將進入乘客運輸艙，艙內(nèi)有自身生命保障系統(tǒng)，儀表設備、控制系統(tǒng)以及輔助推進系統(tǒng)。乘客運輸艙是“液氧增強型熱核火箭”推動的航天飛機的重要組成部分，裝有電子控制操縱系統(tǒng)。它是18名乘客和2名乘務員去月球途中的家。從國際空間站分離后，乘客運輸艙與在安全距離外等候、已加足燃料的“液氧增強型熱核火箭”航天飛機對接。在適當時刻，“液氧增強型熱核火箭”發(fā)動機點火升空，航天飛機迅速爬高脫離近地球軌道。

經(jīng)過24小時的飛行之后，航天飛機到達近月軌道，乘客運輸艙分離，與等在那里的月球著陸器對接。近月軌道上的推進劑補給站為軌道上的航天飛機加注充足的月球氧，以使航天飛機返回地球軌道。月球著陸器加上從地球帶來的液氫，送乘客運輸艙到月球表面。乘客運輸艙由自身的電子控制系統(tǒng)操縱進行月面行走。而后，它與月球基地的密封艙會合，乘客到達目的地。

除了去月球本身令人十分興奮以外，人們還期望“液氧增強型熱核火箭”能把空間運輸發(fā)展到地球以外任何可得到液氧和液氫的地方，如火星系統(tǒng)、主要的小行星等。在不久的將來，“液氧增強型熱核火箭”和月球氧方案將能向公眾提供革命性的空間運輸?！?/p>