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核能引擎让“伽利略”飞得更快


著名的“伽利略”号探测器

  以核能为动力的想法一旦付诸实际,就可以很快把人类的太空探索活动扩展到比现在远得多的地方,扩展到太阳系的偏僻角落。

  核能的巨大潜力是众所周知的,利用核能推动火箭是许多航天动力研究者梦寐以求的技术。早在20年代初,俄国著名宇航科学家齐奥尔科夫斯基就曾幻想:“总有一天,一吨重的火箭只要用一小撮镭就可以挣断与太阳系的一切联系”。尽管当前核能火箭尚有许多技术关键未得到解决,但随着科学技术的发展,人类会看到以核能为动力的飞行器在太空中遨游,毕竟目前动辄数年、数十年的时间来完成一项太空任务会让人类探索未知的迫切心情越来越难以忍受———“伽利略”号探测器从地球到木星花了长达6年的时间,而“卡西尼”号土星探测器需花7年时间完成35亿公里的旅程。

  据中国工程院张贵田院士介绍,核能火箭发动机是以核裂变或核聚变产生的能量转化为推进动力的装置。相形之下,传统的火箭发动机从本质上讲都属于化学推进发动机。由于核反应中单位质量物质产生的能量理论上是化学反应能量的108倍左右,这就意味着核能火箭比化学火箭产生的推力大得多,飞行速度也快得多。

  由于核能确实是一种高效的能源,所以发达国家对核动力航天发动机的研究也由来已久,经历过几番起落,最近的一项计划则是由于冷战的结束而宣告流产。

  不过这类研究并没有销声匿迹,《新科学家》杂志不久前披露,美国科学家波韦尔和梅斯等人非常看好这项研究在远距离太空探索中的潜力,并为此在1997年创办了一家小公司。现在他们正着手制造一种可靠、轻便的核能引擎,这种新型的发动机被称做“微型反应堆引擎”(简称MITEE)。一旦研制工作彻底完成,MITEE便可以让飞行器飞得更快、更远,完成以前化学燃料火箭所不能完成的多项任务。以木星探索为例,由于需要借助行星引力场来加速,老式的“伽利略”号需用6年的时间来完成飞行,可如果用MITEE来做推进器的话,则仅需2年便可以直接飞往木星。若是飞往冥王星,传统的探测器要花费10年时间,而新型探测器仅需5年即可。不过梅斯认为,MITEE最具革新的方面是它能让飞行器往返于地球和外太空之间(这在当前的技术条件下是无法实现的,还没有一种飞行器能够携带足够的燃料完成这样的任务),比如,探测器降落到冥王星、木星卫星等星球的表面后,可使用当地冰层中的氢为自己补充动力原料,然后再飞回地球。

  中国科学院院士朱森元认为,核能航天发动机的确是一种高效发动机,不过,人类使用它则需要有恰当的方式。一般说来,在从地面起飞到外太空的过程中,用化学燃料发动机产生的推力可以比自身重量高出(即推力重量比)50—90倍,有的甚至高达100倍,而核能发动机的推力重量比很小,难以做成火箭助推器。所以如果首先利用化学发动机把核发动机送入太空轨道,再利用核能发动机为航天器提供动力,这倒是实现星际航行的好方法。

  与朱院士的想法不谋而合,前面提到的波韦尔等人正在研制一种载有MITEE的核动力小型木星探测器,探测器长1.9米,翼展1.7米,整个结构重约220公斤。探索木星时,由一艘母船将其运到木星,在一定的轨道上脱离母船进入木星大气层,在木星的大气层中,当探测器的速度足够大时便启动引擎,此时MITEE便可以就地取材,利用木星大气给自己提供动力。

  另外,由于核动力引擎毕竟是一种反应堆,所以一旦发射过程中出现故障或失败,对地球上的生物就会产生放射性危害。因此科学家建议,火箭发射开始阶段使用传统的化学燃料,当到达大气层一定高度时,再启动核动力发动机,这样便可以大大减少其对地球生命可能造成的伤害。(南方周末 刘东峰)

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