核动力火箭概念的由来

文/ 松堂

2020年2月，美国国防高级研究计划局（DARPA）在2021财年的预算中提出了一个被称为敏捷月球操作演示验证（DRACO）的计划，此前这个项目叫做“火箭核反应堆（ROAR）”，这标志着美国准备重启核动力火箭的研究计划。

回顾往昔，我们可以发现，核火箭与军事活动是密不可分的。

早在1953年，比利时画家埃尔热就在著名的系列漫画《丁丁历险记之奔向月球》中，设想了一种巨大的核火箭。它长得有点像德国的V-2导弹，不过体积要大得多。这枚火箭的设计者，就是丁丁的好朋友、科学怪才卡尔库鲁斯教授。登月火箭的原理也很硬核：让原子弹在火箭发动机里不断爆炸，用产生的冲击波来推动火箭飞行！

这样的想法到现在都还不可能实现，不过埃尔热的这部作品为人们打开了两个思路：去月球上探险、用核能推动火箭。接下来，就轮到科学家们实操了。

冷战开始后不久，美国和苏联就展开了太空竞赛。苏联先后在第一颗人造卫星、第一艘载人飞船方面取得领先。美国大受刺激，1961年，时任美国总统约翰·肯尼迪在国会发表讲话，宣布在60年代末结束之前要“将一个人送上月球并安全返回地球”的国家目标。在他的决策之下，从1961年到1975年，美国宇航局利用阿波罗飞船和土星五号火箭探索月球，建立天空实验室计划，并在1975年实现了美苏飞船对接。

为了发射登月飞船，美国宇航局主持研制了巨大的土星五号火箭，让其成为了迄今为止唯一一种成功把人类送上月球的火箭。美国宇航局先后成功发射了13枚土星五号火箭，没有人员和有效载荷损失，是工程史上的奇迹。

虽然美苏竞争成就了美国宇航局和阿波罗计划，但美国宇航局毕竟是由科学家组成的，他们的目标还是深空里的科学探索。就在月球着陆计划进行之际，美国宇航局将目光投向了火星和更远的地方。但在这样的任务背景下，化学燃料火箭的弱点显露无疑。化学燃料发动机产生的能量相对较小，使得科学家们必须精确选择行星的相互位置，瞄准“发射窗口”，用行星的引力来提供重力弹弓效应，帮助飞船在太空中更省力地飞行。此外，化学火箭的速度相对比较慢，如果前往火星，就要消耗太长的时间，让航天员们在宇宙中遭受更长时间的有害辐射。在火星任务的背景下，土星五号的尺寸和运载能力还是不够的。

▲ 《丁丁历险记之奔向月球》封面

如果能够采用核动力来推动火箭飞行，就可以克服化学燃料火箭的这些缺点。核火箭比化学火箭更省燃料、更轻，飞行速度可以达到化学火箭的两倍。根据科学家们当时的计算，核火箭可以在4个月内到达火星，在3年内到达土星而用化学火箭抵达土星则需要7年。

▲ 土星五号运载火箭发射升空

▲ 俄罗斯 ToryII-A核动力发动机

▲ 美国B-29轰炸机

那么，美国宇航局就是第一个尝试核火箭的单位了吗？并不是。

原子时代的火箭

第一个尝试核火箭的其实是美国空军。它对核火箭的兴趣，最早并不是来源于探月，而是来自于核武器本身。

1945年，美国在日本上空引爆两枚原子武器，从而迎来了原子时代，加速了第二次世界大战的结束。在大约四年的时间里，只有美国拥有核武器。到了1949年，苏联成功地试验了自己的核弹，揭开了两强核竞赛的序幕。

早期原子武器的主要问题之一是怎么把它运到敌国上空再扔下去。早期的原子武器重约5吨，当时最大的轰炸机也没有能力带着它们飞越大洋。事实上，美国用于轰炸广岛和长崎的B-29轰炸机是从提尼安岛起飞的，抵达广岛和长崎都只需要飞行2500多公里。这个距离听起来挺远，但是要从美国本土轰炸苏联，所需要飞过的航程远远不止这么一点。

▲ 肯尼迪参观核火箭开发中心

▲ 苏联也曾经研制过核动力火箭发动机，并且制造了样机

▲ 土星五号火箭第二级和第三级使用了高比冲的J-2液氧液氢发动机

▲ 在洛斯阿拉莫斯国家实验室进行猕猴桃-A反应堆试验

为了解决洲际战略轰炸的核武器运载问题，美国开始发展重型、远程武器运载系统。这些系统包括战略轰炸机，如Convair B-36“和平制造者”，陆基火箭和核动力飞机。这些系统各具特色，当时的美国正处于黄金时代，国力强盛、资金充裕，因此上层打算同步发展所有技术选择。洲际导弹的反应速度快、打击过程短（大约30分钟）、打击精度高，是首要选择。但使用洲际导弹缺乏弹性，发射就是开战。轰炸机则比较灵活，让轰炸机带着核武器起飞，就起到了重大的威慑作用。如果双方决定缓和局面，还可以把轰炸机召唤回来，所以飞机也有自己的优势。不过飞机只能在空中飞行有限的时间，如果双方僵持不下，飞机就只能返航加油。因此到了60年代，美国科学家提出了核冲压发动机，希望能制造超级强大的导弹，把好几吨重的核弹头投射到苏联国土上。

“漫游者计划”项目

早在1942年，美国原子能科学创始人恩里科·费米和他的同事进行了第一次成功的裂变反应堆试验后不久，就有人提出了核动力火箭的想法。1944年，芝加哥大学冶金实验室和洛斯阿拉莫斯的科学家开始讨论使用裂变反应堆将气体加热到高温并推动火箭的可能性，这是“核热”火箭背后的基本理念。这些科学家发表了几篇报告，探讨了这种火箭的潜力。

这些报告引起了美国空军的注意。1947年－1949年，空军资助了田纳西州橡树岭实验室，对核动力火箭开展了秘密、小规模研究。直到1954年，橡树岭实验室（现橡树岭国家实验室）的罗伯特·布萨德发表了一份关于几种核动力火箭应用的详细工程研究报告，人们对核火箭的兴趣才逐渐浓厚起来。美国空军委托洛斯阿拉莫斯科学实验室、利弗莫尔·劳伦斯辐射实验室（现为劳伦斯·利弗莫尔国家实验室）等机构对核动力火箭性能进行了更多的理论研究。

▲ 由核动力火箭驱动的飞船想像图

▲ 1967年5月，研究人员对猕猴桃B-1发动机进行检测，准备将它安装到B-3试验台上进行测试

1955年初，洛斯阿拉莫斯在一份现已解密的报告中总结了它对洲际弹道导弹采用核动力的研究。报告提出了核动力火箭的性能优势，为该领域的材料研究争取到了支持。这份报告和劳伦斯·利弗莫尔实验室提供的类似信息表明，这两个实验室当时已经开展了正式的核动力火箭反应堆工作。

从1955年到1972年，洛斯阿拉莫斯科学实验室（后来升格为国家实验室）开展了“漫游者计划”，其目标是开发用于宇宙空间飞行的核动力火箭技术。这个计划的总体探测器项目是美国宇航局太空探索计划的一部分。核反应堆则归美国原子能委员会（AEC）管辖。

1956年，劳伦斯·利弗莫尔实验室转而开展核冲压发动机的研究，洛斯阿拉莫斯实验室继续在“漫游者计划”下开发火箭。

然而，核武器技术也在不断发展。随着原子武器变得越来越小和轻，化学燃料火箭已经完全能够承担其投掷核武器的任务。1957年，美国空军表示，核火箭不再具有任何军事价值，并建议将其转向空间应用。