■ 高峰

近日，美歐宣布在ExoMars火星生命探測(cè)計(jì)劃上展開(kāi)合作。

ExoMars探測(cè)器是歐洲航天局于2005年決定研發(fā)的火星生命探測(cè)航天器，原計(jì)劃2011年進(jìn)行發(fā)射。但后來(lái)，這項(xiàng)計(jì)劃在實(shí)施過(guò)程中遇到許多難題，致使發(fā)射時(shí)間一再推遲。其中一直困擾著歐洲航天局的難題就是發(fā)射和動(dòng)力裝置問(wèn)題，于是便想到了與NASA實(shí)現(xiàn)合作。

NASA從2003年初就開(kāi)始研制核動(dòng)力火星探測(cè)器。探測(cè)器發(fā)射時(shí)先由多級(jí)化學(xué)運(yùn)載火箭將其送入800千米以上繞地軌道運(yùn)行后，核火箭才開(kāi)始工作，推動(dòng)探測(cè)器沖出地球引力范圍并按預(yù)定軌道在太空高速飛行，最終抵達(dá)火星進(jìn)行繞飛探測(cè)或著陸考察。

雖然美歐合作研發(fā)核動(dòng)力火星探測(cè)器的具體細(xì)節(jié)尚未透露，但是采用核火箭來(lái)進(jìn)行推動(dòng)的方案并未變動(dòng)。其關(guān)鍵技術(shù)之一就是核火箭的研制問(wèn)題。

核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用核反應(yīng)或放射性衰變釋放的能量加熱工作介質(zhì)，使工質(zhì)通過(guò)噴管膨脹后高速排出產(chǎn)生反作用推力的。這種發(fā)動(dòng)機(jī)性能高、速度快、壽命長(zhǎng)，但技術(shù)復(fù)雜，只適用長(zhǎng)期飛行的航天器。研制中存在的主要問(wèn)題是：輻射防護(hù)、排氣污染、反應(yīng)堆的控制以及高效率換熱器的設(shè)計(jì)等。

根據(jù)核能釋放方式的不同，核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可分為放射性同位素衰變型、核裂變型和核聚變型三種。放射性同位素衰變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是將放射性同位素衰變產(chǎn)生的射線轉(zhuǎn)變成熱能，再加熱工質(zhì)形成推力，適用于0.1千克以下的低推力狀態(tài)，不能用作火星探測(cè)器的動(dòng)力裝置。核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是利用輕原子核聚合成較重原子核過(guò)程中釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的，因?yàn)楹司圩兊目刂茊?wèn)題尚未解決，所以，這種發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于理論階段。由此可見(jiàn)，美國(guó)自行研制的核動(dòng)力裝置只能是核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

按照核反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)不同，核裂變分為固體堆芯和氣體堆芯二種，其工作原理都是利用重原子核裂變釋放出大量能量加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力的。雖然氣體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能更為優(yōu)越，但由于還存在大量的技術(shù)難題，因此目前美國(guó)研制的用于火星探測(cè)器的核動(dòng)力裝置是固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展較早，主要由裝在推力室承壓殼體內(nèi)的核反應(yīng)堆、冷卻噴管、工質(zhì)輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。反應(yīng)堆通常用含鈾235或钚239的濃縮物制成，工作時(shí)發(fā)生核裂變產(chǎn)生熱能，加熱工質(zhì)。輸送系統(tǒng)將工質(zhì)先送入噴管冷卻套冷卻推力室，然后進(jìn)入核反應(yīng)堆加熱，最后通過(guò)噴管膨脹加速排出，從而產(chǎn)生推力?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量和控制核反應(yīng)的功率，以使發(fā)動(dòng)機(jī)的推力能滿(mǎn)足實(shí)際飛行的需要。固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能長(zhǎng)期工作，而且還能提供更高的速度（秒速可達(dá)24.17千米）。探測(cè)器以核火箭提供的高速飛行，抵達(dá)火星的時(shí)間則可縮短到2個(gè)月。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，核火箭還能推動(dòng)載人航天器到太陽(yáng)系空間遨游并送航天員在可以登臨的星球上進(jìn)行著陸考察和開(kāi)展科學(xué)研究。

若要實(shí)施核動(dòng)力火星載人飛船方案，由于要攜帶航天員及其所需的生活用品和工作設(shè)備，航天器重量增加較多，肯定還要進(jìn)一步提高核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。同時(shí)核動(dòng)力存在的安全隱患必須引起高度重視，特別是核輻射對(duì)航天員健康造成威脅的問(wèn)題亟待解決。因?yàn)楹藙?dòng)力火箭飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于每天做八次X光透視，會(huì)對(duì)人的身體帶來(lái)?yè)p害。由此可見(jiàn)，核動(dòng)力火星載人飛船比核動(dòng)力火星無(wú)人探測(cè)器要復(fù)雜得多。而且，若要發(fā)展先進(jìn)的、大推力高推重比的、可用于單級(jí)入軌的大型核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還需要解決更多的技術(shù)難題。假若這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那將是航天運(yùn)載工具史上的一大飛躍。