在2021财年美国拨款法案里,美国航天局(NASA)将1.1亿美元(约合7亿人民币)投入核热推进(NTP)研发,要打造一款核动力太空发动机。
NASA不是唯一想把核反应堆送到近地轨道的机构,据“太空新闻”报道:“为了应对兔子威胁”,2021年4月,美国国防部高级研究计划局(DARPA)给了通用原子、洛马和蓝色起源三家公司共2740万美元,用于开发军用核动力卫星。公开资料显示,2017年以来美国各机构在太空核动力引擎的研发投入近3亿美元(19亿人民币)。
【资料图】
美国核动力卫星想象图
什么是核热推进引擎?它到底有什么好处,让美国如此孜孜以求?
我们知道今天的火箭,无论是液体火箭还是固体火箭,它都是以化学燃料推进的。推进剂在发动机里燃烧产生大量热能,剧烈膨胀的高温气体从发动机喷口快速喷出产生推力,从而推动火箭向前飞行。
飞到太空的卫星需要精确地调整轨道,同时也为了克服空气阻力和地球引力,许多卫星上也会安装喷气发动机。只是卫星上的发动机大多比较小,有些离子推进发动机仅能吹动一张纸。
中国空间站安装了4台离子推进器
中国天宫空间站的天和核心舱上安装了4台离子推进器,尽管产生的推力非常小,但它们消耗的燃料(工质)也极少,可以抵消相当一部分空气阻力。
但当星链卫星入侵到空间站轨道,或者发现可能会与空间碎片相撞时,空间站必须在几个小时内抬升或者降低轨道高度,以避免毁灭性的撞击,这时候离子推进器就起不到作用。我们需要开启天舟货运飞船上的喷气发动机来推动空间站快速变轨,每一次变轨都会消耗大量燃料。
中国空间站利用天舟飞船推动变轨
有没有一种燃料消耗少、推力大、能让航天器实现快速变轨的发动机呢?理论上有,这就是核热推进(NTP)引擎。
化学引擎通过燃烧推进剂产生热气,航天器需要同时携带燃料和氧化剂,比如氢气和氧气、煤油和氧气、甲烷和氧气等等。核热引擎的原理就是利用核反应堆产生的高温直接加热推进剂(主要是液态氢),将它从液态直接加热到2500度高温的氢气从喷口喷出来,从而产生强大推力。
当使用液氢作燃料时,核引擎的理论比冲量比化学引擎高3~4.5倍,有效荷载增加1~3倍。如果把这种引擎装在长征2号火箭上,它能直接把空间站送入太空,根本不需要长征5号。
钱学森早年提出核动力火箭构想
早在1947年5月,钱学森就在美国提出用多孔石墨核反应堆产生“热射流”来推动火箭的构想。在其后的五、六十年代,许多科学家都有尝试制造核动力的火箭发动机,但后来都不了了之。1973年之后的几十年时间里,核引擎研究完全停止,不是没钱,而是因为它太危险。
航天发射是一项高风险的事业,火箭设计与制造过程中的任何一点瑕疵都可能造成发射失败,火箭在半空、甚至在发射台上被炸成碎片。如果火箭上有一个核反应堆,必然造成大面积的核污染,这相当于往自己头上扔核弹,没有谁愿意冒这么大的风险。
火箭凌空爆炸
把核引擎装在卫星上,让它飞离地球再开始工作行不行?听起来很不错。但这依然不能排除火箭发射失败可能造成的核污染,当卫星寿命终结,它早晚会落回地球并且在大气层里燃烧,那些剩余的危险放射性物质会污染大气和海洋,最终的受害者还是我们。
核卫星最终将污染地球
理论上核热引擎的性能要高于传统火箭发动机,但正是考虑到核污染的危害性,几十年来各国拒绝将它当作研发的方向。只是在向深空发射探测器时,才会在上面安装小型“核电池”,利用少量低浓度核物质衰变产生的热能来发电,这些探测器将飞向遥远的外太空,永远不会回到地球。
现在美国打着“登陆火星”、“躲避撞击”的旗号,投入巨资大力发展核动力卫星,其真实目的是搞太空军事化,试图在近地轨道的竞争中占据优势地位。
美国军用核卫星(DRACO)设想图
DARPA 战术技术办公室主任迈克尔·莱希(Michael Leahy)说核卫星是“我们想在太空进行的下一个大赌注”。事实上这个是以牺牲全人类的健康与安全作为筹码,一旦这种东西被大量发射到地球轨道,将会遗患无穷,我们必须加以警惕并坚决反对。