互动科普

有朝一日，在探索我们太阳系的外行星时，人类想作的事情不只是发送一些仅仅从它们旁边快速飞过的小型探测器，总有一天我们会打算把宇宙飞船送入环绕这些气体巨物的轨道，让机器人着陆到它们的卫星上，甚至将岩石和土壤标本发回地球。最终，我们会打算把宇航员送到它们极具诱惑力的卫星上，可以相信至少其中的一两个上具有丰富的液态水——正如我们所知它是生命的基本要求。

为了进行这些探测，我们需要以核裂变而不是化学燃料为动力的火箭。化学火箭已为我们做了很好的工作。然而，一定数量的燃料能提供的能量相对很少，这是对宇宙飞船的严重限制。例如，要到达外行星，化学动力宇宙飞船必须极其严格地限制质粒大小。广泛借助行星引力的“协助”为获得行星引力场的协助，飞船要运行得靠行星足够近，使该行星象弹弓作用那样提升飞船的速度。为了利用这种协助，探测规划者必须等待“窗口”——即可以向行星发射飞船的短暂时期，在这段时期内发射的飞船将在行星运动到最有利位置时与行星会合利用其引力加速飞向更远天体。

用技术术语来讲，化学火箭的最大速度增量较小，这意味着它们的排气速度不够高，不能向火箭传递非常高的速度。最好的化学火箭——以氢氧反应为基础——传递给离开地球轨道的宇宙飞船的最大速度增量约为每秒10千米。

相反核火箭能传递的最大速度增量可达每秒22千米左右。这相对高的增量有可能开辟比如说到土星的直接通道，将飞行时间从7年左右降为3年。这类核火箭从本质上说是安全的，从环境方面看也是有益的；与流行的看法相反，发射时核火箭不一定是强放射性的，宇宙飞船及其核推进器会象常规化学火箭上的负载那样发射。随后，一旦负载进入了大约800千米高的远地轨道，核反应堆就将开始运行。

制造核裂变为动力的火箭发动机技术不会大大超越现在的能力。事实上，我和同事已经设计出了小型核火箭发动机，我们称之为Mitee（随便从“微型反应堆发动机”(miniature reactor engine)一词中抽取的几个字母组成的），它能在6、7年之内制造出来费用6至8亿美元——实际上就空间发射而言是相当俭省的。事实上，发动机的开发费用可由未来发射费用的节约来抵销，理由是这种发动机为动力的核飞船不必携带大量的化学推进剂，也就是意味不必用耗资2.5至3.25亿美元的泰坦4型装置来发射它，而只需价格更低如千万至1.25亿美元的德耳塔或阿特拉斯火箭就可以了。

在我们的设计中反应堆的核燃料做成环形筒状的有孔金属片，其形状就象中空的薄卷饼（见图1）。燃料筒外层的氯化锂涂层作为减速剂，减慢燃料内部发生的核裂变所发射中子的速度。冷却剂——液氮——将从筒外部向内流，当它变热并流向中心时，就迅速转变为气态，约为摄氏2700度（华氏4900度)的超热气体将以极高的速度沿着筒中心轴的通道流动，然后通过底部的一个小孔流出。

核推进器的关键吸引人之处是它的推进剂——氢——在外太阳系的巨大行星上气态形式并在遥远的卫星和行星上以水冰形式广泛存在。这样由于核燃料运行时间相对持久，从理论上讲，核动力飞船能在太阳系运行l0至l5年，只需补充必需的氢推进剂飞船能够在木星、土星、天王星和海王星的大气中飞行数月，收集有关它们的组成，天气类型和其它特征的详细数据。飞船还可飞到木卫二、冥王星或土卫六去收集岩石标本并可通过电解融冰蓄积返回地球所需的氢气。

由于反应堆在远离地球之后开始运行，核动力飞船实际上造得比某些化学推进器动力深空探测器更安全。在太阳系的外层，太阳射线太弱不能为飞船设备提供能量，因而它们一般靠钚238电源运行，甚至在发射期间它们都是强放射性的。另一方面，核推进探测器的设备靠提供推力的同一反应堆运转。此外，它产生的放射废物数量可以忽略不计——深空探测器的裂变产物总量大约只有一克——无论如何这些物质永远都不会重返地球。

核火箭并不是什么新东西。美国国防部在这一领域的项目中有一个是80年代后期的空间核热推进规划。它的目标是开发小而轻的核发动机用于防务目的，如将重型负载送入远地轨道。该设计的基石是粒子床反应准(PBR)，燃料由被碳化锆包着的碳化铀小包裹粒子组成，尽管在完全的核发动机造出之前PBR工作就结束了。但工程师们的确根据这一概念成功地建造并运行了低功率的反应堆，且揭示了能够达到高功率密度。

确实，我们的Mitee发动机要大大归功于PBR工作，我和同事在鲁克海文国家实验室为该项目工作了将近l0年，除了燃料元件具有相同的基本环形结构外，Mitee也使用轻型热稳定氢化锂7作为减速剂。然而，为稳妥起见我们将Mitee的燃料元件设计为每升10兆瓦左右的功率密度，而不是PBR的30。

容易证明的事情是，只使用化学火箭，我们探索外行星及其卫星的能力就不强。在近期内，只有核火箭能给我们提们必需的能量、可靠性和灵活性使我们能显著改进对太阳系近边缘依然十分神秘的世界的理解。