2019年3月26日，美國副總統(tǒng)邁克·彭斯（Mike Pence）在面對國家空間委員會（NSC）發(fā)表演講時明確表態(tài)：“在繼續(xù)向太陽系深處 探索 的過程中，我們需要具有創(chuàng)新性的推進方式，包括使用核能。” 坐滿了美國國家航空航天局（NASA）工程師的會場因為這番發(fā)言而爆發(fā)出雷鳴般的掌聲。大家都聽懂了其中傳遞的信息，概括來說就是研發(fā)核動力火箭，將人類送上火星！ 事實上，這并不突然：早在幾年前，無論是NASA的報告還是會議中的研究和展示，都充斥著關(guān)于核動力的暗示。 NASA局長吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）就經(jīng)常談論這一話題，且從不掩飾自己的興奮。不僅如此，美國國會也開始為該技術(shù)的研發(fā)提供資金：光是2020年的撥款額就不少于億美元?？梢钥隙ǖ氖牵壳坝惺畮准覍嶒炇液推髽I(yè)正在悄悄從事相關(guān)研究。 “毫無疑問：美國希望在幾年內(nèi)研制出一臺核動力火箭的原型機?！狈▏臻g研究中心（CNES）液體推進研究負責人斯特凡·奧瑞爾（Stéphane Oriol）表示。 一臺原子能運載火箭？請注意，這可不是“旅行者”號、“卡西尼-惠更斯”號、“好奇”號、“火星2020”等已進入太空的探測器所使用的功率約100瓦特的小型同位素發(fā)電機——那些裝置只能從钚-238衰變產(chǎn)生的熱量中獲得微弱的能量。 這一次，NASA明確考慮使用真正的核反應堆，讓其中的鈾-235燃料塊裂變，產(chǎn)生鏈式反應，輸出約5億瓦特的熱功率！隨即，在如此灼熱環(huán)境中（溫度接近3000 ）的液氫經(jīng)過汽化、膨脹后迅速噴出，通過反作用形成推力。 也許在人們眼中，在空間運載火箭上使用一項遭到大規(guī)模反對的技術(shù)，更像是拙劣科幻電影的場景，抑或是美國政府的又一次挑釁。畢竟，大家都清楚這種具有放射性的裝置升空可能帶來的風險。 然而，對于未來數(shù)十年遠距離載人飛行任務的設計人員來說，這一飽受詬病技術(shù)的誘惑是巨大的，甚至是無法抵抗的。所有計算均得出一致結(jié)果，一個核反應堆產(chǎn)生的推力高達10萬牛頓，效率是當前化學推進，即通過氫氧化合物爆炸實施推進的2倍。 在這樣一個追求質(zhì)量輕、速度快的行業(yè)內(nèi)，核動力的優(yōu)勢一目了然：推力相同，燃料的用量少一半，最終達到的速度卻快一倍。 事實上，核能是一種高度濃縮的能量：1千克鈾-235通過裂變產(chǎn)生的能量相當于燃燒270萬噸煤炭產(chǎn)生的能量。使用核裂變技術(shù)，無需搭載數(shù)十噸用于燃燒的氧氣，只需攜帶宇宙中最輕的元素氫，然后將其噴出即可。 “對管道出口處的氫進行加速，要比加速化學發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的質(zhì)量較大的水分子容易得多，因此前者效率更高?！彼固胤病W瑞爾指出。其他推進手段也難以望其項背。誠然，離子發(fā)動機電力推進的效率高于核動力，但“前者產(chǎn)生的推力非常微弱，只有幾分之一牛頓，因此要達到執(zhí)行遠距離飛行任務所需的速度需要很長的時間，不適用于載人飛行任務”，NASA馬歇爾太空飛行中心（MSFC）推進工程師威廉·恩利奇（William Emrich）強調(diào)道。同理，太陽帆也不行。 質(zhì)量輕、效率高、推力大，使用原子能可大大降低載人火星之旅的難度。目前，物資運輸對基于化學推進設計的飛行任務而言簡直是一場噩夢，堪稱不可能完成的挑戰(zhàn)： 工程師最多只能將500噸物資和燃料送入地球軌道，以保持飛船的完整性；他們還要考慮行星的方位，也就是每26個月才會出現(xiàn)一次的短暫窗口期（持續(xù)3周或4周）——為了等待最佳方位，航天員可能會有將近1年半的時間被困于火星；此外，前往火星需要的時間很長——至少6個月，這會使備受微重力、宇宙線以及極度孤獨折磨的航天員面臨嚴重的生理和心理問題。 “化學推進可將人類送上地球軌道或月球，甚至送上火星，但要在地球和火星間往返就不現(xiàn)實了?！蓖ざ骼婵偨Y(jié)說。 核能的使用或許能減輕飛船燃料的重量，并獲得更快的速度。根據(jù)NASA的初步模擬，與使用化學推進相比，地球往返火星的旅行時間可縮短20%至50%，從而令發(fā)射更加靈活，“即便兩個行星之間的相對位置不那么理想，工程師也可以實施發(fā)射，這就擴大了發(fā)射窗口期，而且他們還可以 探索 采用化學推進和電力推進時所無法實現(xiàn)的航線”，斯特凡·奧瑞爾指出。 鑒于此，NASA計劃利用原子能，在“火星沖日”（火星和地球在太陽同側(cè)三者排成一條直線）期間實施發(fā)射任務，以避免航天員在火星上滯留過久。此舉或能將任務的總時長從900多天縮短至500天，從而為火星 探索 留出足夠的時間，而且航天員面臨的風險也會降低。 更何況，在搭載核發(fā)動機的情況下若遭遇嚴重問題，人們有機會立刻終止任務，并在飛行開始后的三個月內(nèi)、甚至在剛剛到達火星后即刻返回地球。如果使用化學推進器，一旦進入地火轉(zhuǎn)移軌道，火箭只能利用幾小時、最多幾天的窗口期返回地球。這些安全保障對工程師的重要性毋庸贅言。核推進技術(shù)還握有最后一張王牌：它其實是NASA工程師們的“老朋友”了。事實上，從1955年至1973年，該機構(gòu)已就這一問題編制了完整的研究方案。 相關(guān)團隊建造并試驗了20多個反應堆，掌握了各種材料的缺點，為該領(lǐng)域的研究掃清了許多障礙。他們甚至在內(nèi)華達沙漠對多個原型機進行了深入測試。 后來，項目被放棄，但這并非出于技術(shù)原因而是美國開始專注于航天飛機的研究了。 現(xiàn)在，“我們可以利用該項目收集的數(shù)據(jù)，這真是一座金礦”，美國亞拉巴馬大學系統(tǒng)工程教授戴爾·托馬斯（Dale Thomas）高興地表示。不過，發(fā)射安全、材料強度以及規(guī)避輻射傷害都是有待解決的問題。此外，和其他核反應堆一樣，可能出現(xiàn)的溫度降低和反應失控也需要留意。當然，從理論上說，沒有什么是不能克服的。 在工程師的辦公室內(nèi)，空間反應堆的草案已經(jīng)重新擺上桌面。除了NASA，美國國防高級研究計劃局（DARPA）也在不久前啟動了一個核推進項目，旨在更好地控制地月空間，甚至在此作戰(zhàn)；原型機預計將于2025年出爐?！岸砹_斯和中國也在研究這項技術(shù)?！彼固胤病W瑞爾指出。直接提供推力并不是唯一的選擇：部分飛船或許可以通過搭載核反應堆為離子推進器供電。這一混合技術(shù)在啟動時速度較慢，但效率極高，只需很低的成本就能將大量貨物送往火星或月球。它還能輕而易舉地將十幾噸 科技 物資送往木星或土星的衛(wèi)星，或者參與太空資源的開發(fā)。 “事實上，太陽系超過90%的空間是人類無法運用化學推進手段在合理的時間范圍內(nèi)抵達的，而且隨著飛船逐漸遠離太陽，輻射的強度會越來越弱，因此使用太陽能電池技術(shù)也無法到達這些地方?！彼固胤病W瑞爾分析道，“與行星、類行星和小行星領(lǐng)土化有關(guān)的話題紛紛涌現(xiàn)，解決地球甚至火星以外的物資運輸由此成為真正的戰(zhàn)略性問題，而核能似乎成為到達太陽系深處的必要手段?！奔幢闶乾F(xiàn)在，核能也被視為火星或月球基地必不可少的電力來源。 人們終將明白：如今空間工程師已經(jīng)被核能的魅力征服。從純技術(shù)層面看，采用該方案的意義顯而易見。 事實上，它在法律層面也沒有問題： 《外層空間條約》僅禁止將核武器送入軌道或其他天體。不過，如何才能使人們相信該研究能順利進行？如何才能忽略發(fā)射點周圍及核動力飛船飛行路線下方民眾的巨大恐懼？ “許多論據(jù)都支持核能的使用，但具有放射性的發(fā)射方式確實是一個非常敏感的問題?！盋NES太陽系 探索 項目負責人弗朗西斯·羅卡爾（Francis Rocard）承認。 在航空工程界，1970年代至1980年代，為蘇聯(lián)衛(wèi)星供電的核反應堆因為故障給世人留下了苦澀的回憶；1978年1月24日，核動力衛(wèi)星Kosmos954在加拿大北部墜毀，為了消除由此產(chǎn)生的污染，人們采取了大量補救措施。此外， 搭載了一個小型钚發(fā)生器的“卡西尼-惠更斯”號探測器至1997年發(fā)射前也遭到不少抗議。 鑒于上述顧慮，NASA計劃在發(fā)射時不點燃反應堆，而是待飛船達到一個足夠高（海拔1000千米以上）且穩(wěn)定的軌道后再點燃，從而保護人群。1992年，聯(lián)合國也表決通過了一項決議，禁止飛船在起飛時進行任何形式的核裂變。 此外，NASA不會讓具有放射性的火箭返回地球：推進艙將進入“墳場”軌道，而航天員會像從國際空間站返回那樣使用座艙回到地面。在進行地面測試時，各項預防措施也會到位?，F(xiàn)在已經(jīng)不是1960年代那樣可以隨意試驗的年代了——彼時，人們沒心沒肺地將可能被放射性燃料顆粒污染的氫氣排入大氣。NASA的工程師正著手研發(fā)有毒粉塵的回收裝置，并考慮將其用于NASA位于密西西比州的A-3試驗臺上。 為平息爭議，“NASA也曾考慮像核試驗那樣，基于反應堆的計算機建模結(jié)果展開研究”，戴爾·托馬斯進一步解釋道。此外，首批不載人飛行試驗的設計人員還會著重考慮路線規(guī)劃，以免飛船后續(xù)與地球發(fā)生碰撞。 那么，做好這些預防措施就夠了嗎？“核技術(shù)開啟了新的飛行領(lǐng)域，但我認為無論采取怎樣的預防措施，人們都沒法接受。”法國國立高等航空航天學院（ISAE）航天系統(tǒng)工程副教授斯蒂芬妮·麗茲-迪特雷茲（Stéphanie Lizy-Destrez）坦言，“當我和圭亞那航天中心的負責人談及此事時，他們表示這依然是一個禁忌，因為他們不想在發(fā)射點周圍引發(fā)游行?！? 無論在實驗室還是在大眾的認知中，空間原子技術(shù)的命運或許都將迎來重大進展?！鞍讶祟惡臀镔Y送上火星的關(guān)鍵抉擇之刻即將到來，”弗朗西斯·羅卡爾強調(diào)說，“要實施首批不著陸的載人火星飛越任務，美國人應當盡快在核推進和化學推進之間做出選擇。”為此，美國國家科學院（NAS）已經(jīng)開始征詢專家的意見?！拔移炔患按叵胫浪麄冏罱K會在報告中推薦哪項技術(shù)?！贝鳡枴ね旭R斯嘀咕道。 是堅持傳統(tǒng)且令人安心的化學推進技術(shù)，還是向核推進技術(shù)的誘惑妥協(xié)？是時候選擇了。 撰文 Vincent Nouyrigat 編譯 王雋