早在20世紀(jì)初，得知居里夫婦提煉出放射性元素鐳之后，俄國(guó)航天之父齊奧爾科夫斯基就預(yù)言："一噸重的火箭只要用一小撮鐳，就足以掙斷與太陽(yáng)系的一切引力聯(lián)系。"
那時(shí)科幻作家給予這種新能源以充分的關(guān)注。H.G.威爾斯在1914年出版的科幻小說(shuō)《獲得自由的世界》中設(shè)想了核武器運(yùn)用在戰(zhàn)爭(zhēng)中給人類造成的苦難。1926年，雷金納德-格羅索普在科幻小說(shuō)《太空孤兒》中第一次將原子能與煉金術(shù)聯(lián)系在一起。 但只有科學(xué)家在1938年發(fā)現(xiàn)了核裂變的秘密后，核武器及核動(dòng)力才有可能成為現(xiàn)實(shí)。
圖1：原子彈爆炸
1944年，德國(guó)的火箭武器V-2飛彈首次襲擊倫敦；1945年，原子彈成為現(xiàn)實(shí)?；鸺c核動(dòng)力在20世紀(jì)中葉一直是科幻作家鐘情的主題，有識(shí)之士已經(jīng)把二者結(jié)合在一起。 阿西莫夫在《基地》系列《市長(zhǎng)》（1942年初次發(fā)表時(shí)名為《籠頭與馬鞍》）一篇中設(shè)想，銀河邊緣的星區(qū)文明衰落了，原子能源被遺忘，科學(xué)漸漸變成了神話。掌握原子能的科學(xué)家變?yōu)樯衤毴藛T一樣角色。在那個(gè)小王國(guó)合縱連橫的時(shí)代，驅(qū)動(dòng)兩英里長(zhǎng)皇家旗艦的是"原子反應(yīng)爐"。這種驅(qū)動(dòng)太空戰(zhàn)艦的原子反應(yīng)爐也就是我們下面要介紹的核動(dòng)力火箭。
"獵戶座"乘原子彈上天
20世紀(jì)50年代，核電站、核動(dòng)力船舶、核動(dòng)力飛機(jī)等技術(shù)設(shè)想層出不窮。大膽的科學(xué)家把目光投向了美國(guó)和蘇聯(lián)逐漸膨脹的核武庫(kù)，他們打算把這些核彈作為火箭燃料，推進(jìn)飛船飛向遙遠(yuǎn)太空。這個(gè)鑄劍為犁的計(jì)劃就是"獵戶座核火箭計(jì)劃"。
核火箭的技術(shù)論證最早出自美國(guó)核科學(xué)家烏拉姆。其原理是使一顆顆小型原子彈在飛船尾部相繼爆炸而產(chǎn)生反作用力推動(dòng)飛船前進(jìn)。如果每顆原子彈的爆炸當(dāng)量為1000噸TNT，估計(jì)爆炸50顆原子彈后飛船速度可達(dá)12千米/秒。1958年，美國(guó)核科學(xué)家泰勒在此基礎(chǔ)上提出了"獵戶座"計(jì)劃。按照泰勒的設(shè)想，每顆原子彈的爆炸當(dāng)量為2000噸TNT（在大氣層外），爆炸50顆這樣的原子彈后，飛船的最大速度可達(dá)70千米/秒。該火箭可以用來(lái)發(fā)射大型載人行星際飛船，可以用125天飛到火星，用3年時(shí)間飛到土星。
圖2：獵戶座火箭外形
泰勒在美國(guó)核武器研發(fā)機(jī)構(gòu)洛斯阿拉莫斯的專業(yè)是核武器效用，他是核彈小型化方面的專家。他也了解成型爆破技術(shù)，即如何控制爆炸碎片精確定向。泰勒采納了烏拉姆的"推進(jìn)盤(pán)"構(gòu)想，把推進(jìn)物和核彈組合在一起，成為一個(gè)脈沖單元。根據(jù)泰勒的設(shè)想，獵戶座計(jì)劃中的飛船將攜帶數(shù)千枚小型核彈，當(dāng)飛船需要?jiǎng)恿r(shí)，宇航員就從船尾釋放出一顆原子彈，接著再釋放出一些由含氫塑膠制成的固體圓盤(pán)，當(dāng)飛船駛出一定距離，原子彈將在飛船后面爆炸，瞬間將塑膠圓盤(pán)蒸發(fā)，將其轉(zhuǎn)化成高熱的等離子體。這些等離子體會(huì)向四面八方?jīng)_擊擴(kuò)散，其中一些將會(huì)追上飛船，撞擊飛船尾部巨大的金屬推進(jìn)盤(pán)，從而推動(dòng)飛船高速行駛。飛船上還設(shè)計(jì)了一個(gè)震波吸收系統(tǒng)，可以把沖撞到金屬推進(jìn)盤(pán)上的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并逐漸釋放出去。
圖3：核裂變?cè)?/span>
由于不清楚飛船尾部的巨大推進(jìn)盤(pán)是否會(huì)被核爆炸后產(chǎn)生的高溫等離子體熔化或腐蝕，科學(xué)家用氦離子發(fā)生器進(jìn)行了模擬測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瞬間高溫的等離子只會(huì)對(duì)金屬推進(jìn)盤(pán)表面產(chǎn)生輕微的腐蝕，其程度甚至可以忽略不計(jì)，沒(méi)必要設(shè)計(jì)專門的冷卻系統(tǒng)，并且普通的鋁和鋼就足以做為制造金屬推進(jìn)盤(pán)的材料。
獵戶座計(jì)劃的工作者們建造了一系列模型，用以測(cè)試鋁制的推進(jìn)盤(pán)能不能承受化學(xué)爆炸的瞬間高溫高壓。一些模型在實(shí)驗(yàn)中被毀，但是1959年一個(gè)火箭模型使用6個(gè)普通炸彈成功地飛行到了100米的高度，證明了脈沖推進(jìn)是能夠穩(wěn)定飛行的。這次試驗(yàn)也證明，推進(jìn)盤(pán)應(yīng)該是中間最厚、向邊緣逐漸變薄的形狀，才能達(dá)到最高強(qiáng)度和最低重量。
根據(jù)計(jì)劃，獵戶座火箭將從美國(guó)內(nèi)華達(dá)州杰克斯平地核試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射升空，整個(gè)火箭和飛船加在一起有16層樓高，外形像一顆鈍頭子彈。飛船尾部的推進(jìn)盤(pán)直徑達(dá)41米，發(fā)射平臺(tái)由8個(gè)高達(dá)76米的發(fā)射塔組成。在起飛階段以每秒一枚的速率引爆100噸TNT當(dāng)量的小型原子彈；而當(dāng)飛行器達(dá)到一定速度后，引爆速率將下降到每10秒一枚，不過(guò)這時(shí)拋出的將是2萬(wàn)噸當(dāng)量的核彈。這個(gè)方案要求火箭一直垂直向上飛行直至沖出大氣層（化學(xué)能火箭通常在大氣層內(nèi)一定高度就開(kāi)始轉(zhuǎn)向），這樣可以使放射性沾染降到最低。當(dāng)火箭被發(fā)射升空后，它的尾部每10秒鐘就要爆炸一顆相當(dāng)于2萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的小型原子彈。
圖4：獵戶座火箭在核爆炸中飛上天空
現(xiàn)在看來(lái)，獵戶座計(jì)劃幾乎沒(méi)有任何明顯的技術(shù)缺陷。然而，它卻有一個(gè)最大的弱點(diǎn)，那就是它依賴于原子彈爆炸做動(dòng)力。當(dāng)它在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，必將釋放出核輻射塵污染地球環(huán)境。這也正是獵戶座計(jì)劃最終沒(méi)能實(shí)現(xiàn)的原因之一。
曾參與"獵戶座"計(jì)劃的物理學(xué)家弗里曼-戴森和他的伙伴通過(guò)計(jì)算表明，"獵戶座"火箭發(fā)射造成的環(huán)境污染不會(huì)超過(guò)核試驗(yàn)的百分之一。但這百分之一卻改變了科學(xué)家們的抉擇——"獵戶座"火箭每一次升空釋放出的放射性廢料及落塵對(duì)地面生物的影響，大約會(huì)造成0.1-1個(gè)人死于癌癥。和平主義者戴森后來(lái)回憶說(shuō)："一想到我做的事是在現(xiàn)有（放射性）落塵量上增加百分之一，我（對(duì)核火箭）的熱情便不由得冷卻下來(lái)。"
圖5：獵戶座火箭沖出大氣層
1963年簽署的《禁止在大氣層和外層空間進(jìn)行核試驗(yàn)條約》從法理上宣判了任何在大氣層內(nèi)點(diǎn)燃的核火箭為非法。1965年，"獵戶座"計(jì)劃研究終止。該計(jì)劃雄心勃勃的口號(hào)"1965年到達(dá)火星，1970年到達(dá)土星"永遠(yuǎn)沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。好在這個(gè)光輝的想法在科幻中獲得了新生。在科幻電視劇《星際迷航》第一季（1966-1969年播出）里有一集名為"世界是空的，我摸到了天空"，講述了一個(gè)種族將一顆鐵質(zhì)小行星掏空改造為世代飛船，運(yùn)用獵戶座式的核彈脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，在太空中前行了30光年，歷時(shí)一萬(wàn)年。
在接下來(lái)的歲月里，經(jīng)歷過(guò)三里島、切爾諾貝利等核事故的公眾，對(duì)在太空計(jì)劃中采用有潛在核污染可能性的核火箭持保留態(tài)度。核火箭的舞臺(tái)，只能從更遙遠(yuǎn)的深空找尋。
飛向恒星：代達(dá)羅斯計(jì)劃
圖6：代達(dá)羅斯飛船
"代達(dá)羅斯計(jì)劃"是英國(guó)星際學(xué)會(huì)在1973至1978年之間倡導(dǎo)的研究計(jì)劃，提出使用核聚變火箭推進(jìn)的無(wú)人飛船對(duì)另一個(gè)恒星系統(tǒng)進(jìn)行快速的探測(cè)。該計(jì)劃設(shè)想在一個(gè)人的有生之年——50年——之內(nèi)，抵達(dá)另一顆恒星。距地球6光年的巴納德星被選擇為該計(jì)劃的目的地。
根據(jù)上述要求，火箭工程師阿蘭-邦德率領(lǐng)的13人研究小組提出了核聚變火箭的構(gòu)思。它的核聚變火箭不是在像獵戶座那樣在外部爆炸原子彈，而是依靠?jī)?nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)，在一個(gè)磁場(chǎng)構(gòu)筑的"燃燒室"中，向核燃料球發(fā)射電子束，產(chǎn)生離子。用磁場(chǎng)限制等離子體的辦法維持持續(xù)的核聚變。這將比獵戶座計(jì)劃的核裂變更高效，因?yàn)楂C戶座計(jì)劃中原子彈的大部分爆炸能量都沒(méi)投射到船體上轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。
圖7：核聚變?cè)?/span>
設(shè)計(jì)中的代達(dá)羅斯火箭比獵戶座火箭更加龐大。雖說(shuō)是一臺(tái)無(wú)人飛船，但這個(gè)無(wú)人飛船重達(dá)5.5萬(wàn)噸，相當(dāng)于半艘尼米茲級(jí)核動(dòng)力航空母艦的重量。長(zhǎng)度達(dá)到190米。這是一艘真正的星際飛船，其中5萬(wàn)噸都是燃料的重量。科學(xué)儀器重量只有區(qū)區(qū)的500噸。因?yàn)閷?shí)在太大，無(wú)法一次發(fā)射到太空中，這臺(tái)探測(cè)器只能在地球軌道上利用微重力環(huán)境組裝。代達(dá)羅斯火箭由兩部分組成，第一級(jí)火箭工作2年，把飛船加速到光速的7.1％。之后第二級(jí)火箭工作1.8年，把飛船加速到光速的12％，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，在茫茫太空中依靠慣性滑行46年，最后到達(dá)目的地。因?yàn)樵谔罩幸?jīng)受住極低溫的考驗(yàn)，飛船外殼大量使用了鈹，使飛行器在低溫中仍然能保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
圖8：代達(dá)羅斯飛船設(shè)計(jì)圖
火箭的核聚變?nèi)剂嫌珊?3和氘構(gòu)成，氦-3是氦的一種同位素，原子核里有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。地球上沒(méi)有氦-3，為了獲取代達(dá)羅斯飛船需要的3000噸氦-3，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們?cè)O(shè)想在木星的衛(wèi)星上建立飛船組裝基地，將在地球上制造的飛船部件，運(yùn)到這個(gè)基地組裝，并利用木星上豐富的氦資源來(lái)制造氦-3燃料。當(dāng)然，現(xiàn)在已經(jīng)探測(cè)到月球表面也有大量氦-3，所以不必舍近求遠(yuǎn)了。至于氘（氫的一種同位素），可在地球的海水中提取。
代達(dá)羅斯的推進(jìn)系統(tǒng)是核聚變脈沖火箭，它巧妙繞開(kāi)了1963年的部分禁止核試驗(yàn)條約。代達(dá)羅斯所依賴的聚變脈沖對(duì)環(huán)境影響小，不受條約限制。按照設(shè)計(jì)，氘和氦-3組成的混合燃料球由高能電子束在慣性約束反應(yīng)室中點(diǎn)燃并爆發(fā)，爆發(fā)產(chǎn)生的離子氣在磁場(chǎng)的約束下以每秒1萬(wàn)千米的速度排出船尾，以作為動(dòng)力的來(lái)源。每秒代達(dá)羅斯需要消耗250個(gè)燃料球。
1978年，英國(guó)星際學(xué)會(huì)公布了代達(dá)羅斯計(jì)劃的最終方案。該計(jì)劃給出了有史以來(lái)第一份詳細(xì)的核動(dòng)力飛船設(shè)計(jì)圖，旨在論證可能性。但直到今天，代達(dá)羅斯所需要的大量核心技術(shù)仍是紙上談兵，沒(méi)有核聚變火箭，沒(méi)有木星開(kāi)采技術(shù)，在軌道上建造幾萬(wàn)噸的航天器也近乎天方夜譚--只有區(qū)區(qū)300多噸的國(guó)際空間站就花費(fèi)了20年時(shí)間進(jìn)行組裝建設(shè)。
圖9：科幻片《沖出寧?kù)o號(hào)》劇照，劇中飛船使用核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)
項(xiàng)目的花費(fèi)也是大問(wèn)題。將幾萬(wàn)噸的載荷發(fā)射進(jìn)入地球軌道所需要的費(fèi)用已經(jīng)是天文數(shù)字了，何況代達(dá)羅斯用到的金屬鈹開(kāi)采提煉均非易事，故而每公斤價(jià)格高達(dá)幾百至上千美元。單單是代達(dá)羅斯的偏轉(zhuǎn)罩就需要50噸的鈹。因此這樣的計(jì)劃就算真的要變成現(xiàn)實(shí)，也必然會(huì)以大型國(guó)際合作項(xiàng)目的面目出現(xiàn)。即便如此，代達(dá)羅斯計(jì)劃仍是目前研究論證最完備的核聚變火箭計(jì)劃。它的構(gòu)想影響了許多科幻影片：從《異形》到《阿凡達(dá)》，從《Wall-E》到《沖出寧?kù)o號(hào)》，這些影片無(wú)一例外都把核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)作為推動(dòng)龐大飛船的"常規(guī)"推進(jìn)方式。
核污染：核火箭不能承受之重
核火箭無(wú)疑是解決宇宙航行動(dòng)力問(wèn)題的重要發(fā)展方向。但是在公眾眼中，核能總像一把雙刃劍，在釋放巨大力量的同時(shí)，也隱含著巨大的危險(xiǎn)。
核火箭最大的隱患是核輻射。泄露核輻射對(duì)宇航員健康可能造成威脅。如果屏蔽不好，核火箭飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于宇航員每天要做8次X線胸部透視，較長(zhǎng)時(shí)間的作用會(huì)對(duì)宇航員的身體造成嚴(yán)重的傷害。
歷史上曾有多顆核動(dòng)力衛(wèi)星失靈對(duì)地面產(chǎn)生威脅，這些都是未來(lái)核火箭的前車之鑒。2009年2月10日，美國(guó) "銥-33"通信衛(wèi)星和已經(jīng)停止工作的俄羅斯"宇宙-2251"在北西伯利亞上空發(fā)生碰撞。"宇宙-2251"攜帶有核動(dòng)力裝置，此次碰撞形成了具有潛在核輻射危險(xiǎn)的太空碎片。目前，使用核電源的30顆俄羅斯衛(wèi)星和7顆美國(guó)衛(wèi)星運(yùn)行在距離地球800千米到1100千米的軌道上，在那里相似的碰撞還有可能發(fā)生。這么多衛(wèi)星意味著大約40次的"潛在核爆炸"。如果其中任一衛(wèi)星碰到太空垃圾碎片，它將減速并最終重返大氣層，在地球上空和地面釋放輻射。
圖10：核動(dòng)力火箭如果在地球附近爆炸，會(huì)對(duì)地面造成核污染
自從1978年蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星"宇宙-954"在加拿大墜毀并造成地面核污染以來(lái)，聯(lián)合國(guó)負(fù)責(zé)和平利用外太空的科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)一直在關(guān)注太空核反應(yīng)堆的應(yīng)用。它的調(diào)查構(gòu)成了聯(lián)合國(guó)會(huì)員大會(huì)1992年12月通過(guò)的名為"關(guān)于在外太空使用核動(dòng)力電源的原則"決議的基礎(chǔ)。根據(jù)決議，只有當(dāng)它們的應(yīng)用絕對(duì)必需之時(shí)，核反應(yīng)堆才可以被用于外太空，并且在太空任務(wù)完成之后，裝備了核反應(yīng)堆的衛(wèi)星應(yīng)該被置于足夠高的軌道，在那里對(duì)現(xiàn)有和未來(lái)的外太空任務(wù)的威脅和與其他外太空物體碰撞的概率都很小。
在世紀(jì)之交，一些國(guó)際科學(xué)團(tuán)體認(rèn)定，沒(méi)有核發(fā)動(dòng)機(jī)和核反應(yīng)堆就不可能有效地探索外太空。核能它可以被用于加速行星際飛船，并為飛船上的設(shè)備提供能量。因此，必須找到一種方法來(lái)確保核裝置的輻射安全。高效核燃料镅的出現(xiàn)，催生了核動(dòng)力飛行的一種最新方案。由于镅產(chǎn)生裂變反應(yīng)的臨界狀態(tài)的質(zhì)量只需鈾和钚的1％。因此其裂變極易發(fā)生，而且一經(jīng)發(fā)生就會(huì)持續(xù)下去，這樣就可以大大減少宇宙飛船需要攜帶的燃料。這不但縮短了宇宙飛行的時(shí)間，也降低了萬(wàn)一發(fā)生墜毀事件時(shí)核污染的程度。使用镅的核火箭有望于2020年前后研制成功。
飛往火星：核裂變火箭重獲新生
圖11：科幻片《天地大沖撞》中"彌賽亞"核動(dòng)力推進(jìn)飛船模型
蘇聯(lián)的核技術(shù)與美國(guó)一直呈分庭抗禮之勢(shì)。在1998年的科幻片《天地大沖撞》中，編劇安排俄羅斯人擁有一艘名為"彌賽亞"的核動(dòng)力推進(jìn)飛船。故事的現(xiàn)實(shí)版本是，2005年俄羅斯科學(xué)家提出了使用核動(dòng)力探索火星的新方案。根據(jù)這一方案，俄羅斯人有望于2017年向火星派出科學(xué)考察隊(duì)。該方案使用的核火箭將采用固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是一個(gè)小巧玲瓏的核反應(yīng)堆，用含鈾235或钚239的濃縮物制成堆芯。啟動(dòng)時(shí)將液氫打進(jìn)堆芯，液氫受熱后迅速變成攝氏幾千度的高溫氣體，從尾噴口高速噴射出來(lái)，產(chǎn)生巨大推力。這種核發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)，也比化學(xué)火箭更經(jīng)濟(jì)。
圖12：飛往火星的核火箭
若飛船以化學(xué)火箭推進(jìn)，抵達(dá)火星需要9個(gè)月；以核火箭推進(jìn)，速度可達(dá)每秒24千米兩個(gè)月之內(nèi)就能到火星。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。但是用核動(dòng)力火箭推動(dòng)載人飛船，就必須高度重視核動(dòng)力存在的安全隱患，特別是核輻射對(duì)宇航員健康形成的威脅。
正因如此，美國(guó)宇航局從2003年初開(kāi)始研制的核動(dòng)力火星飛船是不載人的。它也采用固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)射時(shí)先用化學(xué)燃料火箭將它送入800千米以上的繞地軌道后，核火箭才開(kāi)始工作，推動(dòng)飛船沖出地球引力范圍，最終抵達(dá)火星。
圖13：美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，用來(lái)進(jìn)行核聚變研究的"Z機(jī)器"
自從廣島與長(zhǎng)崎之后，一個(gè)毀滅的夢(mèng)魘就在人類頭上揮之不去。掌握了如此巨大力量的人類將走上自我毀滅之路還是繼續(xù)發(fā)展下去？有識(shí)之士通過(guò)開(kāi)發(fā)核技術(shù)的和平運(yùn)用給出了自己的答案。戴森曾這樣為獵戶座計(jì)劃的意義做告白："我們第一次想到如何使用一大堆庫(kù)存原子彈，但不是用來(lái)殺人，而是有更好的出路。我們的目標(biāo)與信仰，是用那些曾在廣島和長(zhǎng)崎沾滿血腥的原子彈，為人類敲開(kāi)一扇通往蒼穹的門窗。"
本文已發(fā)表于《科幻世界》2011年第6期
