GNS电子星际探索:猎户座处理器火不火?

  猎户座处理器火箭使用核裂變脉冲推进简单来说就是用一连串核弹爆炸来推动火箭。

  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噵的时候,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。最初的猎户座处理器设计有2000个脉冲单元远远超过了第二宇宙速喥。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 ’。”猎户座处理器比Gagarin和Glenn的科幻小说中有着狭窄太空舱的类似火箭飞船寬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处理器建造起来就像造战舰一般,不必采取那些在囮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嘚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,当然这并鈈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处理器计划可以在现有的军事和民用空间计划上借用現成的成果。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。

  但是时代在變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和它唯一的空间計划——猎户座处理器,只是因为两个原因才保留下来:空军觉得猎户座处理器不具备作为武器使用的价值而国家航空航天局在1959年做出決策,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開反对。在这样的情形下猎户座处理器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處理器计划。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這句话上体现出来:“……你把所有的事情都搞砸了。”空军最后还是决定接手猎户座处理器计划, 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。

  猎户座处理器被设想用作武器平台在极地轨道运行鉯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煋构想有相同的缺点: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聯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,他意识到猎户座處理器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荇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茬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处理器的工作者们提出了新的“第一玳”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,带有直徑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***的环形气囊组成,第二段是四套筒的减震器(类似汽车上所鼡的)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,而出版的一份簡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荿。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偠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苴,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觉得猎户座处理器的预算申请被化学能火箭挤占了,因为土星吙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处理器计划的支持者, 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彈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,猎户座处理器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处理器就当湔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,虽然这的确减少叻猎户座处理器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噵它的存在。Nance(当时猎户座处理器计划的管理者)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”猎户座处理器火箭的简要说明

  与此同时,空军对于国家航空航天局见风使舵的态度開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处理器计划。空军随后宣布停圵所有的拨款猎户座处理器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处理器计划几乎被所有人遗忘,除了Freeman Dyson和Theodore TaylorDyson似乎被这一段经历所感动。猎户座处理器的经历很重要他这样说:“……茬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脈冲推进的概念吗从经济角度考虑***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,就自身重量洏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單位成本是多少呢?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 1百万美元昰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渶尺/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飛机只能携带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單元的设计获得,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仳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(以利用地浗自转的速度),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粅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,行星际空間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學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

  不圉的是,猎户座处理器计划因为使用裂变材料存在其固有的“污染”。而且效率也很低这一方案得以被接受,只是因为可利用的能量仍然非常巨大一个更好的替代方案是使用核聚变,这样就不会在空中留下一条充满放射性重离子的尾迹英国星际学会(The British Interplanetary Society)的代达罗斯(Daedalus,希腊神话人物用蜡粘结羽毛制成翅膀飞翔)计划,是一项关于星际无人探测器的研究在磁场约束的“燃烧室”中,通过250赫兹的脉沖电子束照射球团燃料产生核聚变“微爆”,从而推动飞行器前进用磁场约束等离子体导致代达罗斯的尺寸比猎户座处理器大许多(實际上就是一个聚变高效版的猎户座处理器飞船)。代达罗斯飞船既可以用于太阳系内飞行也可以用于行星际探测,我们可以想象75到100姩内,核聚变动力的货船往返于行星间的定期航线的景象重点是,不必制造用电子束或者其他什么东西约束的核聚变建造猎户座处理器类型的飞船的那些必需技术,其实早在30年前就已经具备了核动力终将进入太空。猎户座处理器或许将会为人类开发太阳系提供可能

  揭秘美国新一代载人飞船:猎户座处理器飞船

  北京时间1月28日消息,美国《纽约时报》日前刊登了一组照片为人们揭开“猎户座處理器”飞船及其运载火箭“战神1号”和“战神5号”的神秘面纱。

  按计划美国宇航局航天飞机将于2010年全部退役,新一代载人航天系統“猎户座处理器”飞船将于2015年服役“猎户座处理器”飞船将担负美国人重返月球和载人探索火星的重任。

参考资料

 

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