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最暴力的太空计划,美国的猎户座核火箭
作者:xnz    文章来源:博客    点击数:    更新时间:2008-6-7
  Taylor 在洛斯阿拉莫斯的专业是核武器效用,他是核弹小型化方面的专家。他也了解成型爆破技术,即如何控制爆炸碎片精确定向。Taylor 采用了Ulam的“推进盘”构想,不过没有使用推进物片,而是把推进物和核弹组合在一起,成为一个脉冲单元。他选择塑料作为推进物,可能的材料是聚乙烯。这是因为塑料能够很好地吸收吸收核爆产生的中子辐射,而且分解为氢和碳这样轻元素的原子,获得很高的速度。这类似于在氢弹中的做法:使用聚苯乙烯将裂变点火装置的能量“导流” 到可熔的聚变装药上。就像Taylor和Dyson所说过的,这种设计方案的优点在于同时获得大推力和高喷气速度。没有其他已知的推进系统组合能够在这两方面同时达到这么高的指标。在理论上,比冲量可以达到1万秒到100万秒,而推力可以无限大!但是产生的加速度对于载人飞行器来说是无法承受的,所以在推进盘和飞船本身之间设置有一个缓冲器,储存接收到的爆炸冲量,再逐渐释放出来推动飞船。

  猎户座计划的工作者们建造了一系列名为“Put-Put”或者“Hot Rod”的模型(这种“昵称”的名字很有意思,硬翻译出来就失去味道了……),用以测试铝制的推进器盘能不能承受化学爆炸的瞬间高温高压。一些模型在实验中被毁,但是1959年一个火箭模型使用6个装药成功地飞行到了100米的高度,证明了脉冲推进是能够稳定飞行的。这次试验也证明,推进器盘应该是中间最厚、向边缘逐渐变薄的形状,才能达到最高强度和最低重量。

  推进器盘的耐久性是个大问题,因为即使爆炸发生在几百英尺之外,每次爆炸产生的等离子流的温度也高达数千K。根据Eniwetok的试验结果,设计出了这样一个方案:在推进器盘表面喷涂涂层(可能是石墨基材料)。目前还不清楚在猎户座计划后来的版本中,这一方案是否得以保留。对于推进器盘的腐蚀问题,科学家利用化学能驱动的氦等离子发生器进行了大量的研究工作。实验中发现,每次爆炸中推进器盘暴露在极限高温下的时间只有大约1毫秒,只在金属表面发生微小的烧蚀作用。很显然,由于持续的高温时间极短,只有很少的热量传递到推进器盘,所以主动冷却措施也就没有必要了。实验的结论是,铝或者钢就可以满足作为推进器盘材料的耐久性要求。

  猎户座计划的工作者们很早就意识到,如果有机会看到突破性的进展,美国政府就会插手进来。先进技术研究计划署(ARPA,后来变成了DARPA—— “D” 表示“国防”)在1958年4月成立。同年6月,ARPA同意提供每年1百万美元的启动经费,同时赋予这项研究“猎户座”的代号,在“核脉冲推进飞行器研究”的课题下进行。

  Taylor 和Dyson认为,美国国家航空航天局(NASA,刚刚在1958年1月成立)正在从事的太空飞行的方法是错误的。在国家航空航天局的项目中, Von Braun的化学燃料火箭不但价格昂贵,而且有效载荷低,更重要的是根本无法到达比月球轨道更远的地方。猎户座计划的工作者们所设想的宇宙飞船,应该是结构简单、粗犷有力、容积宽大,并且负担得起成本的。Taylor原先要求一个地面发射场,可能是内华达州的Jackass核试验基地。这种飞行器外表上看起来像是主教的法冠(注:大家电视上见过的那种天主教高级神职人员的尖顶帽)或者子弹的尖端,有16层楼那么高,带有一个直径为135英尺的推进盘。凭直觉看,推进盘越大,整个系统的推进效率就越高。对于核脉冲火箭系统中,有效脉冲作用和推进盘直径、脉冲能量以及冲量的公式的推导,读者可以自己参考雷诺数(Reynolds Osborne, 1842-1912, 英国工程学者, 在水力学、气体力学及其应用方面曾作出卓越贡献, 曾发明热量扩散仪, 后人以其姓氏命名雷诺数)。发射台由8座250英尺高的发射塔组成,火箭的起飞质量达1万吨,大部分的质量将进入轨道。用于推进的每个核弹当量为 0.1千吨,在起飞阶段以每秒一枚的速率抛射;而当飞行器达到一定速度后,抛射速率将下降到每10秒一枚,不过这时抛出的是20千吨当量的核弹。这个方案要求火箭一直向上方飞行直到飞出大气层(化学能火箭通常在大气层内一定高度就开始转向),这样可以使放射性沾染降到最低。

  当美国正在使用弹道导弹改进来的火箭,努力试图将第一名宇航员送入轨道的时候,Taylor和Dyson正在发展一项有人价值的宇航计划,航程远达太阳系之外。最初的猎户座设计有2000个脉冲单元,远远超过了第二宇宙速度。Dyson后来回忆说:“我们当时的口号是‘1965年到达火星,1970年到达土星 ’。”猎户座比Gagarin和Glenn的科幻小说中有着狭窄太空舱的类似火箭飞船宽大得多,一百五十名宇航员可以舒适地在飞船上居住,有效载荷可达数千吨。猎户座建造起来就像造战舰一般,不必采取那些在化学能推进的太空船上用到的节约重量的苛刻措施。不过不清楚它如何着陆,比较合理的设想是使用专门的化学能飞行器进行探索活动。Taylor的设想是使用一架传统设计的航天飞机,用于在地面与轨道之间运送人员。Dyson为这项为期12年的计划提出了每年1亿美元的预算要求,当然这并不包括为这样一套系统中从宇航服到科学仪器的数以千计的项目的发展费用。猎户座计划可以在现有的军事和民用空间计划上借用现成的成果。即使Dyson低估了费用,他的数字只有实际可能花费的1/20,也达到了240亿美元,大约与公认的阿波罗计划的费用相当。

  但是时代在变化,新组建的航天行政机构开始接手所有联邦政府管理的民用空间计划,空军则得到了所有与军事有关的的空间计划。ARPA和它唯一的空间计划—— 猎户座,只是因为两个原因才保留下来:空军觉得猎户座不具备作为武器使用的价值,而国家航空航天局在1959年做出决策,在未来近期内的民用航天计划中保持无核化。国家航空航天局是一个公众意识影响很强的机构,它很难克服民众对于核装置的本能反感。而且,国家航空航天局里面充斥着一些以制造更大的化学能火箭为事业目标的工程师们,他们在并不了解核动力飞行器的情况下公开反对。在这样的情形下,猎户座的工作者们完全被边缘化了。

  1959 年晚些时候危机到来,ARPA决定不再以国家安全的理由支持猎户座计划。Taylor走投无路之下只得为了经费和空军接触,这其实是一次硬行推销。来自军队和行政部门的官员的共同的态度,可以从引用的这句话上体现出来:“……你把所有的事情都搞砸了。”空军最后还是决定接手猎户座计划, 但是条件是必须能发挥出它的军事价值。Dyson说虽然他的空军联络人对太空探险的目标的是一致的,但是他们感觉束手束脚。管理变化的直接结果是所有的模型飞行试验被中止,无拘无束的的日子一去不返,Taylor的“友善者”团队进行太阳系探险的梦想也破灭了。

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