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美军要研制核动力发动机探月 是为继续主导太空秩序

美军要研制核动力发动机探月 是为继续主导太空秩序
2020年10月05日 13:27 环球时报
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  10月3日,美国《宇航》网站报道,美国国防高级研究计划局(DARPA)刚刚向位于一家叫做“鹰头狮技术”的企业授予了价值1400万美元的合同。合同内容是为DARPA的“敏捷环月运行示范火箭”(DRACO)计划研制一种核动力发动机。

  核动力发动机是诸多科幻小说或者电影的主题。比利时漫画家埃尔热早在《丁丁历险记》的《奔向月球》和《月球历险记》两部作品中,就讨论了一种长得很像V-2导弹的核动力火箭,能够完成地月之间的旅行。

  艺术家描绘的核热火箭飞行器

  到了美苏竞争的航天时代,核发动机得到了更多的关注。在各种科幻作品当中,所有的火箭和飞船几乎都装着核反应堆,用它来提供动力。这不仅仅是因为人们充分认识到了核技术所能提供的强大动力,也是因为化学能火箭存在着物理极限。

  根据著名的齐奥尔科夫斯基公式,v=ωln(m₀/mₖ),其中V是火箭在推进一段时间后达到的速度,ω是火箭喷射的速度,m₀是喷射开始时的火箭质量,mₖ是喷射结束时的火箭速度。很显然火箭喷射速度对火箭速度起到的作用最大,也就是说ω越大越好。

  但是,化学能火箭所能实现的ω是非常有限的。所谓化学能火箭,就是靠燃料的燃烧来获得燃气。在各种燃料中,氢和氧直接反应所实现的ω数值最高,能够达到每秒4000多米。而且根据理论分析,这已经是化学能火箭的极限。无论人类再发明多少化合物,也不可能超过氢和氧反应所产生的ω。

  要想解决这个问题,只能考虑化学能之外的手段。人们发现,如果用电场加速带电粒子,可以实现远远超过氢氧燃料的ω,甚至可以达到每秒300千米,这就是电火箭发动机。不过电火箭发动机的推力太小了,到了21世纪,人类所能制造的最大电火箭发动机,也只不过能吹动一片树叶而已。自己的重量却相当大。因此,电火箭发动机只能先用化学能火箭送入太空,然后用在姿态和轨道控制、星际航行等领域。

  NASA曾经研制过的核热火箭发动机原理

  在NASA早年的设计中,NTP系统使用裂变反应堆。在这样的发动机当中,反应堆的直径不能超过火箭外壳,堆芯正中间有一组坚固的管道,液氢储罐装在反应堆上面。氢穿过堆芯中间的管道时,就会被反应堆加热到极端温度和压力,然后从下面的喷管喷射出去,喷射速度可以达到每秒9000米左右,虽然不如电火箭发动机,但是它的总推力巨大,有希望超过化学能火箭。

  最早的NTP发动机设计之一

  但是考虑到发射失败可能造成重大核污染,这些发动机都不考虑从地球上直接起飞,而是进入宇宙之后再启动。因此,NTP发动机对核辐射防护的需求也没有核潜艇或者核动力航母那么高。

  苏联在登月竞赛中失败后,美国也失去了对超级火箭的兴趣。加上美国经济陷入衰退,核火箭的设计就被束之高阁了。直到最近两年才重新被重视起来。

  看到这里,人们或许感觉有点奇怪。应该是NASA对核火箭这种超级科技怪物的兴趣更大。这可以大大提高人类星际旅行的能力,为什么是军方跳出来和企业签合同呢?

  DRACO项目的描述中揭示了真相:“维持对月球空间——地球和月球之间的空间——的空间感知能力”需要。“感知”这个词汇从美国军方嘴里说出来,意思就是“战场侦察和监视”。因为侦察和监视的目标不仅仅是假想敌的人造物体,也包括自然环境、平民和非交战方的人造物体,所以美军才发明了这么一个听起来很中性的词。

  到目前为止,地球轨道上或许有那么一些涉及到国家安全的外国目标,从地球奔向月球的轨道上、月球附近和月球表面,只有少数科学探测器。没有什么军事目标,美国军方打算在地月空间侦察和监视些什么呢?

  实际上,在美国人的潜意识中,超过地球轨道的宇宙空间——特别是月球——都是美国所有的。这并不是说美国人会对这些区域提出领土要求,这是违反联合国外空条例的。美国人的思维是:必须由美国带领着全人类进入地月空间,由美国安排这里的资源开发和利益分配。谁要是不服从这种秩序,就是潜在威胁!如果有谁抢在美国前面进入和探索了某一片区域,就等于是直接打脸了。

  为了支撑殖民者心态,美军就需要具有相应的技术手段,要具备在地月空间的军用航天器部署和机动手段。如果每次部署和机动都要从地球上发射,需要消耗大量火箭。所以,只能把足够数量的军用航天器部署到地月之间的某个位置,根据需要灵活机动。机动就要需要动力,高速机动就需要强大动力。无论化学能火箭还是电火箭发动机都无法满足这样的需求,NTP发动机是目前唯一能看到希望的技术。

  NASA也想使用核热火箭风发动机

  在DARPA的描述中,DARCO火箭的推力将比传统化学火箭高出5倍。NTP发动机的强大动力,可以让军用航天器在地月之间的广大区域内快速机动,部署到所需的位置,包括地球轨道、月球轨道和拉格朗日点,甚至可以部署到月球表面之后再起飞——月球引力只有地球的六分之一,起飞要容易得多。

  如果NTP研制成功,显然会对其他国家的月球探索活动造成很大的影响。至少,目前所有国家都不具备对月球附近空间的密切监视能力。如果美国人用NTP火箭部署军用航天器,对其他国家的科学探测器做些什么小动作,是很难抓到证据的。

  NASA其实也参加了DRACO计划,并乐于看到它取得成功。NASA局长吉姆·布里登斯汀称赞说,以NTP为动力的航天器可以在短短三到四个月内将宇航员送上火星,大约是传统化学火箭所需时间的一半。

  所以,其他宇航国家似乎有必要对NTP火箭做出一些响应。

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