在2021財年美國撥款法案裡,美國航天局(NASA)將1.1億美元(約合7億人民幣)投入核熱推進(NTP)研發,要打造一款核動力太空發動機。
NASA不是唯一想把核反應堆送到近地軌道的機構,據“太空新聞”報道:“為了應對兔子威脅”,2021年4月,美國國防部高階研究計劃局(DARPA)給了通用原子、洛馬和藍色起源三家公司共2740萬美元,用於開發軍用核動力衛星。公開資料顯示,2017年以來美國各機構在太空核動力引擎的研發投入近3億美元(19億人民幣)。
什麼是核熱推進引擎?它到底有什麼好處,讓美國如此孜孜以求?
我們知道今天的火箭,無論是液體火箭還是固體火箭,它都是以化學燃料推進的。推進劑在發動機裡燃燒產生大量熱能,劇烈膨脹的高溫氣體從發動機噴口快速噴出產生推力,從而推動火箭向前飛行。
飛到太空的衛星需要精確地調整軌道,同時也為了克服空氣阻力和地球引力,許多衛星上也會安裝噴氣發動機。只是衛星上的發動機大多比較小,有些離子推進發動機僅能吹動一張紙。
中國天宮空間站的天和核心艙上安裝了4臺離子推進器,儘管產生的推力非常小,但它們消耗的燃料(工質)也極少,可以抵消相當一部分空氣阻力。
但當星鏈衛星入侵到空間站軌道,或者發現可能會與空間碎片相撞時,空間站必須在幾個小時內抬升或者降低軌道高度,以避免毀滅性的撞擊,這時候離子推進器就起不到作用。我們需要開啟天舟貨運飛船上的噴氣發動機來推動空間站快速變軌,每一次變軌都會消耗大量燃料。
有沒有一種燃料消耗少、推力大、能讓航天器實現快速變軌的發動機呢?理論上有,這就是核熱推進(NTP)引擎。
化學引擎透過燃燒推進劑產生熱氣,航天器需要同時攜帶燃料和氧化劑,比如氫氣和氧氣、煤油和氧氣、甲烷和氧氣等等。核熱引擎的原理就是利用核反應堆產生的高溫直接加熱推進劑(主要是液態氫),將它從液態直接加熱到2500度高溫的氫氣從噴口噴出來,從而產生強大推力。
當使用液氫作燃料時,核引擎的理論比衝量比化學引擎高3~4.5倍,有效荷載增加1~3倍。如果把這種引擎裝在長征2號火箭上,它能直接把空間站送入太空,根本不需要長征5號。
早在1947年5月,錢學森就在美國提出用多孔石墨核反應堆產生“熱射流”來推動火箭的構想。在其後的五、六十年代,許多科學家都有嘗試製造核動力的火箭發動機,但後來都不了了之。1973年之後的幾十年時間裡,核引擎研究完全停止,不是沒錢,而是因為它太危險。
航天發射是一項高風險的事業,火箭設計與製造過程中的任何一點瑕疵都可能造成發射失敗,火箭在半空、甚至在發射臺上被炸成碎片。如果火箭上有一個核反應堆,必然造成大面積的核汙染,這相當於往自己頭上扔核彈,沒有誰願意冒這麼大的風險。
把核引擎裝在衛星上,讓它飛離地球再開始工作行不行?聽起來很不錯。但這依然不能排除火箭發射失敗可能造成的核汙染,當衛星壽命終結,它早晚會落回地球並且在大氣層裡燃燒,那些剩餘的危險放射性物質會汙染大氣和海洋,最終的受害者還是我們。
理論上核熱引擎的效能要高於傳統火箭發動機,但正是考慮到核汙染的危害性,幾十年來各國拒絕將它當作研發的方向。只是在向深空發射探測器時,才會在上面安裝小型“核電池”,利用少量低濃度核物質衰變產生的熱能來發電,這些探測器將飛向遙遠的外太空,永遠不會回到地球。
現在美國打著“登陸火星”、“躲避撞擊”的旗號,投入巨資大力發展核動力衛星,其真實目的是搞太空軍事化,試圖在近地軌道的競爭中佔據優勢地位。
DARPA 戰術技術辦公室主任邁克爾·萊希(Michael Leahy)說核衛星是“我們想在太空進行的下一個大賭注”。事實上這個是以犧牲全人類的健康與安全作為籌碼,一旦這種東西被大量發射到地球軌道,將會遺患無窮,我們必須加以警惕並堅決反對。