鮮為人知的蘇聯(lián)核火箭發(fā)動機項目

文/ 張雪松

▲ 克爾德什

空間活動能力的核心是推進系統(tǒng)，而推進系統(tǒng)發(fā)動機的比沖量，直接決定了空間活動的范圍和規(guī)模。傳統(tǒng)化學火箭發(fā)動機受到推進劑能量的限制，高能氫氧推進劑的理論最大比沖也只有520秒，實用氫氧發(fā)動機更是只有465 秒。相比化學能推進劑，核物質(zhì)蘊含的能量要高得多，核火箭發(fā)動機能實現(xiàn)更高的比沖，具有光明的應(yīng)用前景，核火箭發(fā)動機也得到了航天強國的高度重視。

核熱火箭發(fā)動機的倡議

美國工程師斯塔尼斯拉夫·烏拉姆，在參與曼哈頓工程的1944 年就最早提出了核熱火箭的概念，蘇聯(lián)人不久后也提出了類似的概念，美蘇兩國都不約而同地付諸實施。

1954 年秋，美國空軍委托原子能委員會論證和研究核熱火箭發(fā)動機，最初計劃作為洲際導彈發(fā)動機，后來應(yīng)用于運載火箭和深空探測器。1955 年，蘇聯(lián)科學院院士、后來成為蘇聯(lián)科學院院長的姆斯季斯拉夫·克爾德什也倡議研制核火箭發(fā)動機，蘇聯(lián)科學家和工程師們拿出了多個理論設(shè)計方案，積極向領(lǐng)導人推薦這種革命性的高性能火箭發(fā)動機。

面對美國研制核熱火箭發(fā)動機的動向，以及蘇聯(lián)本國科學家的大力呼吁，1958 年蘇聯(lián)部長會議正式通過了研制核熱火箭發(fā)動機的決定。首提核熱發(fā)動機倡議的克爾德什院士，蘇聯(lián)核領(lǐng)域的開創(chuàng)者、原子彈之父伊戈爾·庫爾恰托夫院士，蘇聯(lián)航天元勛謝爾蓋·科羅廖夫都參與了核熱推進系統(tǒng)的研制，蘇聯(lián)全國數(shù)十家研究院所和相關(guān)單位參與了這項革命性空間推進系統(tǒng)的研制工作，核熱火箭發(fā)動機主要由位于沃羅涅日的化學自動裝置設(shè)計局負責研制。

獨特的蘇聯(lián)核熱發(fā)動機方案

雖然美國核熱火箭發(fā)動機的研制更早、投入更大，取得了很多成果，但蘇聯(lián)核熱推進進行了很多技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)動機設(shè)計的更為高效和安全。

▲ 庫爾恰托夫誕辰100 周年紀念郵票

美國核熱火箭發(fā)動機項目代號ROVER 計劃，ROVER 計劃使用均勻化的反應(yīng)堆，先后建造了KIWI 系列等多個反應(yīng)堆進行試驗驗證，而蘇聯(lián)的核熱火箭發(fā)動機設(shè)計上采用非均勻核反應(yīng)堆，其特點是核燃料和慢化劑分開布置，這種巧妙的設(shè)計具有諸多的優(yōu)點：

可以單獨對慢化劑進行冷卻。這樣，慢化劑選擇時可以只考慮慢化性能，而無需過多的考慮耐高溫能力，擴大了慢化劑選擇范圍并降低了研制難度。

減少了反應(yīng)堆中耐高溫部件的數(shù)量和種類。反應(yīng)堆材料可選擇類型更多，相應(yīng)的降低了反應(yīng)堆的設(shè)計和制造難度。

▲ 左起：科羅廖夫、庫爾恰托夫、克爾德什

可以在單個或幾個核燃料組件內(nèi)驗證液氫工質(zhì)在反應(yīng)堆內(nèi)的熱工過程。這樣可在實驗堆內(nèi)進行測試，無需一開始就建造全尺寸的核反應(yīng)堆，降低了試驗難度和研制費用。

蘇聯(lián)的非均勻核反應(yīng)堆還使用了模塊化的堆芯設(shè)計，模塊化設(shè)計意味著即使對核熱火箭發(fā)動機的具體需求和指標尚不明確的情況下，就可以開始研制標準化的燃料組件。蘇聯(lián)研制了標準化的核燃料組件，通過不同數(shù)量組件的組合實現(xiàn)不同尺寸和功率的反應(yīng)堆，通用化和組合化的核反應(yīng)堆設(shè)計，有利于開發(fā)出系列化的核熱火箭發(fā)動機，滿足不同深空探測任務(wù)對核熱火箭的性能需求。組合化設(shè)計還提高了核反應(yīng)堆的安全性和可靠性，并降低了核熱火箭發(fā)動機的研制成本。

核熱發(fā)動機的研制

核熱火箭發(fā)動機的理論比沖可達900 秒左右，是最好的化學能火箭發(fā)動機的兩倍。從美國載人火箭設(shè)計參考DRM-1、DRM-3 到DRA-5 等報告看，核熱火箭發(fā)動機可將地球出發(fā)級規(guī)模從1400 噸降低到800 噸左右，整體效率提高70%，應(yīng)用前景十分誘人。

▲ 庫爾恰托夫設(shè)計的火星94 任務(wù)飛船示意圖

▲美國NERVA 核熱火箭發(fā)動機

核熱火箭發(fā)動機具有高比沖和大推力的特點，理論性能很好，但研制難度也很大，蘇聯(lián)從1958 年正式開始研制核熱火箭發(fā)動機，直到1978 年才初現(xiàn)曙光，隨后尚未上天實用就不幸中道崩殂。蘇聯(lián)為了研制核熱火箭發(fā)動機，積極進行耐高溫燃料組件的研制，設(shè)計制造了多個核熱推進裝置，還先后建造了IGR、IVG-1 和IRGIT 這3 個專用試驗堆，雖然核反應(yīng)堆的建造規(guī)模小于美國的ROVER/NERVA 計劃，但資金投入仍然不小。

IGR 是一種非均勻氣冷的石墨脈沖核反應(yīng)堆，它能在很短時間內(nèi)產(chǎn)生極高通量密度的中子和伽馬射線，主要用于檢驗核熱推進系統(tǒng)燃料組件在苛刻的核輻射環(huán)境下的可靠性。IGR 反應(yīng)堆為驗證燃料組件的結(jié)構(gòu)方案和制造工藝鋪平了道路。

▲ 蘇聯(lián)核熱火箭發(fā)動機RD-0410

▲ 美國KIWI-B4A 核熱火箭發(fā)動機

IVG-1 是一種非均勻氣冷、以水為慢化劑的核反應(yīng)堆，它使用模塊化堆芯設(shè)計，可以調(diào)整甚至更換全部的燃料組件和慢化劑。IVG-1 反應(yīng)堆擁有獨立的氫氣輸送裝置，不僅能對各種方案的燃料組件進行試驗，而且對加熱氫氣的熱工過程進行了驗證。

IRGIT 是蘇聯(lián)核熱火箭發(fā)動機RD-0410 的地面原型堆。IRGIT 實現(xiàn)了從啟動、全功率運行到停機和檢查的全程試驗，試驗中達到了42 兆瓦的最大功率，經(jīng)過堆芯加熱后，氫工質(zhì)的平均溫度超過2300 攝氏度，為空間核熱火箭發(fā)動機RD-0410 的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

核熱推進的試驗和終結(jié)

1978 年，蘇聯(lián)在塞米巴拉金斯克試驗場進行了核熱火箭發(fā)動機的初步測試試驗，對IRGIT 核反應(yīng)堆進行了多次功率測試。氫氣是一種強效的化學還原劑，在高溫下還原性更強。2000 ～3000 攝氏度的高溫氫氣環(huán)境中，保持發(fā)動機的穩(wěn)定工作是一個重大技術(shù)難題。蘇聯(lián)研制的三元碳化物燃料較好地解決了這個問題。然而，核熱火箭發(fā)動機的核污染問題更大，一旦反應(yīng)堆出現(xiàn)故障甚至是泄露，高溫氫氣帶著高輻射性的核燃料噴出，將是一場巨大的環(huán)境災(zāi)難。

上世紀80 年代，蘇聯(lián)對RD-0410核熱發(fā)動機的地面原型堆進行了多次試驗，樣機在試驗臺上進行了多次電加熱試驗，對3.5 噸推力的RD-0410 核熱火箭發(fā)動機從材料、工藝到總體結(jié)構(gòu)方案的正確性，為制造真正的核熱火箭發(fā)動機做好了準備。然而，蘇聯(lián)末期動蕩的歲月毀滅了核熱火箭發(fā)動機用于深空探索的夢想，蘇聯(lián)不堪重負的財政難以承擔這些燒錢無數(shù)的航天項目，使用核熱火箭發(fā)動機探測月球和火星的宏偉夢想，連同尚在襁褓中的核熱火箭發(fā)動機在1988 年被束之高閣。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，俄羅斯曾提出庫爾恰托夫火星94 載人任務(wù)，使用RD-0410核熱火箭發(fā)動機作為動力系統(tǒng)的設(shè)想。本世紀初，俄羅斯還曾利用蘇聯(lián)在空間核動力領(lǐng)域的豐厚技術(shù)積累，提出了研制核熱核電雙模式空間動力系統(tǒng)，用于未來的載人深空探測任務(wù)。遺憾的是，俄羅斯提出的這些方案缺乏資金投入，始終停留在了紙面上。近些年來，俄羅斯又把重心轉(zhuǎn)向核電推進系統(tǒng)，核熱推進技術(shù)很可能要出師未捷身先死了?！?/p>