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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
  猎户座被设想用作武器平台,在极地轨道运行以便它能够掠过地球表面的每一点。它也可以容易地保护自己,至少可以应付少量导弹的攻击。然而,这一个主意有与早先的携带炸弹卫星构想有相同的缺点:末段制导是个问题(设想以加固过的高价值的军事装置作为目标),因为当时制导技术还没有发展起来。美国和苏联当时正在部署的导弹,都有能力在十五分钟内携带百万吨当量的弹头到达目标,因而使用轨道轰炸平台是毫无意义的。

  罗伯特·麦克纳马拉(Robert McNamara,越战时的美国国防部长,著名职业经理人,曾任福特汽车和世界银行总裁……)是肯尼迪政府的国防部长,他意识到猎户座没有军事价值。五角大楼上下一致地拒绝增加任何经费,而将计划事实上限制在可行性研究的范围。Taylor和Dyson明白,如果要建造一部能飞行的原型机,必须寻求另外的资金来源,而国家航空航天局是目前唯一可选的目标。因此,Taylor和James Nance,一位通用原子能公司的雇员及之后计划的指导者,至少跑了两次亚拉巴马州的马歇尔航天中心(MSFC)。MSFC是von Braun执掌的领域,是国家航空航天局发展大部分空间推进研究计划的地方。当时von Braun在从过去的弹道导弹发展来的土星火箭计划中遇到了困难。土星5号最后将运送宇航员去月球。猎户座的工作者们提出了新的“第一代”设计,放弃了地面发射场,而改为土星5号的上面级进入轨道。由于土星火箭的直径限制,飞行器的核心部分是一个推力为200,000 磅,带有直径33英尺推进盘的“推进模块”。这一设计也将比冲量限制在1800到2500秒之间。按照核脉冲的标准来衡量,这一数值低得令人失望地,但仍然远远超过其他类型的核动力火箭。减震器分为两段:第一段由推进盘后面直接安装的环形气囊组成,第二段是四套筒的减震器(类似汽车上所用的),连接推进盘和太空船的其他部分。

  需要多少枚土星5号火箭才能把这个装置送入轨道呢?Dyson说需要一到两枚火箭,而出版的一份简图指出,如果载人部分(载有宇航员)单独发射的话,至少需要二枚火箭,可能需要三枚。在这种情况下,一些装配工作将在轨道上完成。几项设想的任务中最伟大的计划是飞向火星。8名宇航员带着100吨的设备和补给,可以在125天之内往返;而在许多现在的计划中,单程就需要9个月。另一个令人印象深刻的数据是飞行器总重量的45%是可以进入地球轨道的有效载荷。据推测,飞行器将在火星到达近地点时建造,并且,由于动力充足,可以选择两个行星之间几乎最快的航线。对图纸的审查指出,登陆装置也可以携带在火箭上。

  那么成本如何呢?Pedersen估计1964年度对计划预算为15亿美元,这显示出核脉冲飞船具有良好的经济性。而Dyson觉得猎户座的预算申请被化学能火箭挤占了,因为土星火箭占用了全部经费的50%以上。

  Von Braun 变成了一个狂热的猎户座计划的支持者, 但是他在政府高层官员之间的努力只取得了一点点进展。除了一般的反对意见之外,还有非常现实的异议:土星火箭是否一定需要携带数以百计的炸弹为动力的推进模块?如何保证其中的一个炸弹不会提前爆炸或者中途破裂?国家航空航天局害怕公众反对因而不愿提供经费是可以理解的,然而他们对于资助载人航天的其他研究项目却非常感兴趣。

  1963 年8月,猎户座计划遭受到重大打击:美国、英国和苏联签署了禁止大气层核试验的条约。猎户座就当前的国际法而言是违法的。然而这一计划还没有被立即宣布死亡,它仍然可能被认为是和平利用太空的计划而获得许可,虽然这的确减少了猎户座计划的政治资本。然而因为猎户星座是一个机密的计划,所以另外的一个问题是:在工程和科学研究领域,只有少数人知道它的存在。Nance(当时猎户座计划的管理者)努力改变这种状况,他试图说服空军不再对此保密,或者至少放宽保密限制。最终这一建议获得了同意,而且Nance在1964年10月出版了“第一代”猎户座火箭的简要说明。

  与此同时,空军对于国家航空航天局见风使舵的态度开始感到不耐烦。空军的如意算盘是,如果国家航空航天局提供大部分资金,他们才会加入计划提供部分经费,以分享研究成果。迫于阿波罗计划的需求,国家航空航天局在1964年12月作出决定,并公开宣布在未来的几个月中不会再提供经费给猎户座计划。空军随后宣布停止所有的拨款,猎户座计划无声无息地夭折了,在过去将近7年的时间里,总共花费超过一千一百万美元。

  在登月竞赛的光环下,黯然失色的猎户座计划几乎被所有人遗忘,除了Freeman Dyson和Theodore Taylor。Dyson似乎被这一段经历所感动。猎户座的经历很重要,他这样说:“……在近代史上第一次发生了人类重大的科技飞跃被政治因素扼杀的情况。”在1968年的论文中,他提供了核脉冲推进的更多物理细节,甚至提出核聚变动力的超级巨型星际飞船构想。最后他对自己的观念有所反省,是因为放射性污染的危险和最初的地面发射场概念具有。然而他说即使是Taylor和他所构想的最大规模的发射计划,对大气的污染也不会超过(1960年前后)核武器试验的1% 。

  如今还有任何的理由令我们重新审视核脉冲推进的概念吗?从经济角度考虑答案是确定的。 Pedersen认为10,000吨太空船有效载荷10,000吨是可行的。像这样的宇宙飞船同航天飞机相比,就自身重量而言,可能相对费用低廉一些。一个可以预想的趋势是,沉重的飞船推进盘制造的难度,将会随着起重器械的发展而降低。核脉冲火箭的单位成本是多少呢?Pedersen给出了一个低得令人惊讶的价格:根据早期马丁公司的设计,单位重量的成本只有10,000 美元到40,000美元。有理由认为 1百万美元是一个上限。主要出于对材料强度的考虑,Dyson坚持核脉冲火箭不超过30米/秒(大约100英尺/ 秒)的速度增量。对于低纬度轨道,所需的速度是大约26000英尺/秒,大约需要350个核脉冲单元。如果以500,000美元作为核脉冲单元的合理单价,这意味着1.75亿美元的“燃料费”,略比航天飞机廉价。然而航天飞机只能携带30吨的有效载荷,核脉冲火箭却能携带数千吨。用一个极端的例子,花费 50亿建造一部核脉冲火箭将10,000吨(或者二千万磅)的载荷送入轨道,在一次飞行中的单位重量费用是每磅250美元,远比通常航天飞机飞行一次每磅 5,000到6,000美元便宜。

  效率的进步可以通过改进核脉冲单元的设计获得,过去三十年中的核弹设计已经改进了许多。举例来说,中子弹可以改变释放能量的形式。最近在X射线激光上的研究工作涉及到了一个重要的问题:将爆炸能量汇成一束。当然这还不足以避免爆炸时产生放射性碎片。对于发射场,选择一个非常偏僻的位置,比如大西洋或太平洋南部的海上发射平台,会将放射性沾染对人类的威胁减到最少。化学能火箭的发射场需要尽可能接近赤道(以利用地球自转的速度),而当动力如此充足的时候,就不需要这样考虑了。尽管这可能由于公众影响无法接受,或许任何在大气层内释放放射性物质的行为都是错误的。在这种情况下,发射场仍然有选择的余地,即使这被批评会在空间留下一条放射性碎片的尾迹。然而,行星际空间是非常危险的环境,充斥着来自太阳爆发的周期性的高速粒子流,和不时出现的高能宇宙射线。炸弹碎片会形成一条尾迹的观念,受到“大部份碎片的速度会超过太阳的逃逸速度”这一事实的挑战。

  虽然土星五号火箭已经不再使用了,但是美国的工程师们最近仍然在研究几种重型运载系统。随着世界紧张局势的缓解,俄国的“能源(Energia,俄文)”火箭也可以纳入考虑范围了。在冷战之后,失业的俄国科学家能够和美国人在核脉冲项目上合作。如果有足够的经费,飞往其他行星的快速飞行器也许10年内就可以制造出来,而不是30到50年。

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