2.5 漸入佳境

顯然，對(duì)真正的星際空間計(jì)劃來(lái)說(shuō)，從頭到尾的全核動(dòng)力是得不償失的下策，熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不在于推力而在于耐久性，只將其作為沖出大氣層后的上面級(jí)才不失為真正的明智之舉（先用采用化學(xué)燃料的第一或是第二級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)將載荷送到大氣層外，然后起動(dòng)熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的上面級(jí)開(kāi)始漫長(zhǎng)的空間航行）。這是由于運(yùn)載火箭系統(tǒng)上面級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)并不需要過(guò)分執(zhí)著于比沖量的數(shù)字，熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)難度因此降低了幾個(gè)百分點(diǎn)。事實(shí)上，如果不用作起飛動(dòng)力，以液氫為工作介質(zhì)的熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的研究難點(diǎn)已經(jīng)不是堆溫，而是長(zhǎng)期航行所需要的耐久穩(wěn)定性。為此，就需要對(duì)液氫環(huán)路及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行精雕細(xì)琢。液氫密度小，因此體積流量大，對(duì)泵要求更高。另一方面，和其他推進(jìn)劑相比，使用液氫作為工質(zhì)的熱能式核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)還需要額外的“預(yù)冷”系統(tǒng)，因此，在推進(jìn)劑進(jìn)入管路前先對(duì)管路進(jìn)行預(yù)冷，防止低溫推進(jìn)劑突然流進(jìn)管路時(shí)將導(dǎo)管凍壞（液氫還有一個(gè)特殊的危險(xiǎn)性質(zhì)：它不導(dǎo)電。推進(jìn)劑在管路中流動(dòng)時(shí)會(huì)因摩擦產(chǎn)生靜電，液氫不導(dǎo)電所以無(wú)法像其他推進(jìn)劑一樣將電荷傳給管路，而只能越積越多，放電時(shí)產(chǎn)生火花會(huì)引發(fā)爆炸，必須防止這一情況發(fā)生）。雖然要做好液氫環(huán)路及冷卻保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并非是一蹴而就的事情，但相比一味地提高堆溫還是簡(jiǎn)單了許多。另一方面，DARPA的介入也使整個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)部管理變得條理清晰。于是在調(diào)整了研究思路后，美國(guó)“核動(dòng)力火箭”計(jì)劃的前景終于柳暗花明。

1963年4月，痛定思痛的SNPO重新調(diào)整了NERVA的方案。新的NERVA采用了化學(xué)能與核動(dòng)力混合的三級(jí)方案，即兩個(gè)下面級(jí)干脆采用“拿來(lái)主義”。將正在研制中的土星C-5運(yùn)載火箭相應(yīng)部分完整地移植過(guò)來(lái)，第三級(jí)載荷則使用改良后的NERVA熱能式核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大氣層外的空間航行（以KIWI-B模擬堆為技術(shù)基礎(chǔ)）。不過(guò)由于是工程樣機(jī)，這個(gè)令人印象深刻的第三級(jí)重量將只有50噸，包括核反應(yīng)堆在內(nèi)的NERVA推進(jìn)艙段更是僅有7米長(zhǎng)，非常緊湊。不過(guò)到了1965年，由于SNPO將RIFT項(xiàng)目定位為未來(lái)火星載人登陸計(jì)劃的驗(yàn)證工程，因此對(duì)核反應(yīng)堆的功率提出了更高要求，KIWI-B的性能已經(jīng)無(wú)法滿足。于是在這一年的年底，SNPO決定拋開(kāi)KIWI-B系列核反應(yīng)堆的原有框架，為NERVA設(shè)計(jì)一顆更為強(qiáng)大的核動(dòng)力心臟。先是經(jīng)歷了NRX-A2、Kiwi-TNT、NRX-A3等改進(jìn)型模擬堆的穩(wěn)步推進(jìn)。而到了1966年2月，全新設(shè)計(jì)的Phoebus1-A模擬堆在起動(dòng)2分鐘后便達(dá)到了1100兆瓦的峰值（KIWI-B的極限是1000兆瓦），并隨后以這種狀態(tài)成功運(yùn)行了110分鐘。Phoebus1-A模擬堆的出色表現(xiàn)實(shí)際上預(yù)示著一個(gè)良好的開(kāi)端，1967年2月23日，NERVA熱能式核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。以新建造的Phoebus1-B為核心，配置完整的NERVA在500兆瓦功率狀態(tài)下，首次以全狀態(tài)模式，通過(guò)加熱液氫產(chǎn)生了35噸的最大推力。此后，SNPO又不斷推出了NRX-A6、XECF、Pewee-1等不同架構(gòu)的大功率模擬堆，最后當(dāng)集上述之大成的XE模擬堆成功實(shí)驗(yàn)了28次后，人們終于確信，從1940年起，馮·布勞恩就一直為人們描繪的“火星狂想曲”，已經(jīng)的確有可能被奏鳴了。

1966年3月-12月進(jìn)行試驗(yàn)的NRX-EST模擬堆

1969年，當(dāng)全世界的目光都為阿姆斯特朗留在月球上的腳印所深深吸引，并為那句著名的“個(gè)人的一小步，人類(lèi)的一大步”而激動(dòng)不已時(shí)，卻很少有人注意到，人類(lèi)更大的一步正在堅(jiān)定而有力地邁動(dòng)。從1969年5月到1969年9月，NERVA連續(xù)進(jìn)行了25次非常成功的試驗(yàn)，長(zhǎng)時(shí)間的耐久性工作推力被穩(wěn)定在25噸左右。就這樣到了1969年年底，美國(guó)人已經(jīng)掌握了核動(dòng)力火箭的一切關(guān)鍵技術(shù)：液氫環(huán)路大功率渦輪泵；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)穩(wěn)定裝置；核反應(yīng)堆停機(jī)及重啟裝置；用于噴管、燃燒室及閥門(mén)的耐高溫材料；數(shù)控核反應(yīng)堆功率控制調(diào)節(jié)裝置；核反應(yīng)堆過(guò)載保護(hù)及反輻射裝置等。而這一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破使人們意識(shí)到，“真正的星際推進(jìn)裝置已經(jīng)出現(xiàn)”。事實(shí)上，如果按照“搭積木”的所謂模塊式設(shè)計(jì)，將推力35噸的實(shí)用型NERVA核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)與不同功能的任務(wù)艙裝配在一起，一艘艘可在太陽(yáng)系內(nèi)航行的核動(dòng)力飛船便赫然躍于紙上，同時(shí)得益于NERVA核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)苗條的身材（相對(duì)而言），這樣的核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)又能被控制在可用土星C-5火箭將之發(fā)射升空的最大重量限度內(nèi)……不久，另一個(gè)更大的驚喜將人們的期盼推向了巔峰。1972年，SNOP驕傲地宣布：功率為5000兆瓦，耐久性工作推力達(dá)90噸的NERVA-2核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成功（XE反應(yīng)堆）。于是人們開(kāi)始認(rèn)真考慮以載人登陸的方式征服火星的可能性。

Phoebus1-B核反應(yīng)堆與液氫壓力艙正在對(duì)接組裝

包括液氫儲(chǔ)存罐及尾噴口在內(nèi)，以Phoebus1-B核反應(yīng)堆為核心的NERVA熱能式核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)全貌（試驗(yàn)臺(tái)架上的那個(gè)“大水罐”實(shí)際上就是按照火箭內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的保形液氫壓力艙。理論上，其實(shí)熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)與化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，都是通過(guò)加熱工質(zhì)產(chǎn)生推力。只不過(guò)化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑既是能源也是工質(zhì)，它在燃燒室內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，生成高溫燃?xì)猓?jīng)噴管膨脹加速，將熱能轉(zhuǎn)化為氣流動(dòng)能，以高速?gòu)膰姽芘懦觯a(chǎn)生推力）

1968年2月-4月進(jìn)行試驗(yàn)的XECF模擬堆

NERVA熱能式核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)陸上模擬堆試驗(yàn)情況一覽表

*1100兆瓦全功率狀態(tài)，連續(xù)工作時(shí)間為60分鐘