《流浪地球》里的核动力推进，距离我们有多远？ | 二湘空间
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大家好，之前写了一篇关于《三体》的文章。在还没有发表的时候，就有人提醒我“会得罪一批人”，事实也的确如此：有些人还在心平气和的和我沟通，但言语里已经透露出来了很多的不快；有些人干脆就不管不顾地破口大骂了。可笑的是，这帮人骂了半天，却没有对文章的论点论据论证提出半点有意义的批评。他们的这些文字除了自毁形象之外，没有起到任何作用。
无论如何，过年期间经历这些，还是不让人愉快的。虽然如此，我还是想继续谈一谈刘慈欣的作品。但是这一次，我就聊一些技术上的问题了。况且说是聊刘慈欣的作品，更不如说是借刘慈欣的作品来谈一谈相关的技术。最近最火的刘慈欣作品除了《三体》，应该就是《流浪地球2》了，据说票房已经破20亿了。我先不去探讨飞船派和地球派究竟谁正确，先去看一件事：众所周知，书中的地球是被核动力火箭发动机推动开始远征的，那么，它与我们现有的技术比有什么好处呢？他与我们有多遥远呢？
想要回答第一个问题，就必须要衡量一下不同火箭发动机的性能和效率。这就意味着，我们必须要介绍一个专业的物理量：比冲。这个物理量单位就是秒，其物理意义是“单位质量的推进剂以单位推力燃烧时所能持续的时间”。说的再明白点，我们就直接把它放在例子里来看：比如我们有一台在国际单位下比冲为100秒的发动机，我们就说这台发动机每使用一千克燃料，在输出一牛顿的推力下，可以持续燃烧100秒。由此也可以看出，比冲的数值越高，发动机的效率就越高。
必须要说明的是，在工程上和在物理学上，比冲的数值其实是不一样的。这是因为在物理学上，力的单位是牛顿，而在工程学上，我们更常用的是千克力，二者中间差了一个重力加速度。所以，在查相关文献的时候，一定要注意这个区别。目前我见到的技术文献基本上都是用工程学的单位体系，也就是说，力的单位是千克力。这样的话，固体火箭的比冲大约在300以下，液体火箭可以达到400，但基本上不会达到450以上。
那么，核动力发动机的比重可以达到多少呢？理论计算和实践都向我们证明，核动力发动机的比重可以达到900甚至更高。这也就意味着，同样的火箭，采用核动力发动机可以达到化学火箭发动机两三倍左右的速度。我们知道，第一宇宙速度大约是每秒钟7.9公里左右，而想要脱开地球，第二宇宙速度大约是11.2千米每小时。这也就意味着，一枚刚刚足以把载荷送入环绕地球轨道的化学火箭，如果换上核动力引擎，是可以进行太阳系内的行星际飞行的。这样的结果无疑十分诱人。
而且更好的消息是，刚才提到的900秒的比冲只是核动力发动机当中最低级的一等，也就是采用公制的核裂变发动机所能达到的极限，而剩下的几种发动机所能达到的成绩会远远比它好。这里就需要简单提一下核火箭发动机的分类了：根据核反应堆的类型，可以分成核裂变和核聚变两种；根据是否依赖工质作为传递能量的媒介，可以分成有工质和无工质两种，两两搭配，会形成四种组合的结果。其中，无工质的核裂变发动机意义不大，我们简单说一下剩下的三种。
先来说一下工质这件事。简单来说，使用工质的发动机会在反应堆中加热工质，并将高温的工质喷出，不使用它的则直接把核反应之后的反应物喷出，以此获得反作用力，推动火箭前进。衡量力随时间积累的物理量就是所谓的动量，它是质量和速度的乘积，因此，在工质的总质量不变的时候，喷出的物质速度越快，获得的力就越大。而在反应堆功率、能量转化效率、喷出粒子的数量不变的情况下，显然是喷出的粒子质量越小，粒子喷出的速度越快。因此，诸多元素中，质量最小的氢就成了工质当仁不让的选择。
采用工质的发动机会让工质从反应堆中通过，而因为核聚变发动机的温度会更高，因此，它的工质喷出的温度也会更高，也就意味着效率会更高。但是，工质终究是不参与反应的，这一点与化学火箭的燃料不同。因此，如果我们不使用工质，只通过喷出核反应的生成物获得推力，让我们携带的所有推进剂都作为核燃料充分反应，就必然会让我们发动机的效率提升好几个数量级，这也就是流浪地球中的发动机了。
然而，从裂变到聚变，从有工质到无工质，每一步都意味着巨大的技术鸿沟。最大的难度在于材料和反应物的控制上。裂变的温度是几千度左右，但是聚变可以达到近亿度，如何让之不失控是一个非常难的问题，找到能够承受这种高温的材料也一样很困难。
但是这并不是在太空中应用核动力的唯一手段。我们现在已经在很多探测器上安装了核动力的电池，比如说美国的好奇号火星车、新视野号冥王星探测器都因为工作环境的原因，无法使用传统的电池板，于是都采用了核电池作为电源。而现在也已经有了以电力作为主要能源的推进方式，这就是以霍尔推进器为代表的一系列电推发动机。这些发动机虽然设计上各异，但原理都比较类似，都是用高压电让气体电离，再在电场力的作用下把电离的离子高速喷出去。它的效率非常高，比冲可以轻松达到三四千秒的水平。
但是这样的发动机目前还没有大型化，最大的发动机也只能提供几牛的推力。因此，我们还不能指望把他们作为飞船的主发动机，只能把它作为姿态调整或者提升轨道用的发动机，“小火慢炖”地控制飞船。这样的发动机，如果配上体积小重量轻的核电源，虽然无法成为大型航天器的动力源，给一个卫星或者探测器提供推力还是很不错的选择。
以上两个方案，也就是核电池方案和核动力火箭方案，都面临着两个最主要的问题：核反应堆的控制问题，和材料需要长时间承受高温的问题，而这是采用可控核反应绕不开的，包括我们今天设计核电站，也需要不停地考虑这些问题。不过，我们为什么要用可控核反应呢？不可控的核反应并不意味着不可被利用，而我们对于不可控核反应的研究已经相当深入，核弹头就是典型的不可控核反应。由此提出来了空间核动力的第三个流派：核脉冲推进。
简单来说，这样的飞船每隔一段时间就会抛出一颗特定当量的核弹，这颗核弹在飞船后爆炸，产生巨大的冲击波推动飞船前进。这样的想法听起来很疯狂，但它恰恰是我们在详细研究核推进时最先想到的。美国在1958年立项的猎户座火箭就是这样的设计（不要把它和美国现在的猎户座登月飞船混淆），这也是我们第一次详细地论证行星际飞船。这样设计的飞船也存在着它的问题：瞬间爆炸产生的冲击力很强，会给人造成很强的不适，因此，需要设计比较复杂的缓冲系统；同时，它输出的动力是无法进行调控的，除非改变核弹的当量。
因此，虽然这个方案技术门槛最低，但是我们真正开始研究制造核推进的时候还是走的前两个方法。在这两个方法中，热核电池的方法是目前最成熟的。虽然目前还没有这方面的实际应用，但是无论是热核电源还是离子推进器都已经是相当成熟的技术，我们所需要的只是把它们拼在一起而已。我要重点介绍的是流浪地球中的那种核火箭发动机。
美国和苏联都研究过核动力火箭发动机，而且时间基本上都差不多集中在上世纪五六十年代，并且在各自的登月计划实施时达到高峰。不同的地方在于，美国的核火箭是作为土星五号登月火箭后续的升级方案，而苏联的核火箭则用在n1火箭的最原始方案上，随后才因为一些客观原因被取消。虽然如此，二者的计划仍然有很多相似之处，火箭的一二级仍然保持常规化学动力，使用核动力的第三级来增大运载能力。显然，双方相同的目标导致了基本上相同的设计。
就美国而言，他们在50年代末开始了相关的论证设计工作。最初研究出来的是几个核反应堆，这些反应堆不可能上天，只是为了验证核反应堆可以在火箭发动机的工作状态下正常工作，且不会造成环境的破坏。研究人员给它起了一个很形象的名字：Kiwi，这个名字来自新西兰一种长得像猕猴桃一样的不会飞的、很搞笑的鸟，在一定程度上也是相当的贴切。Kiwi本质上就是一个有液氢流过的反应堆，和核电站常用的反应堆没有什么太大的区别。这些反应堆在美国内华达的实验基地进行测试，每一次实验后都会把反应堆拆卸，以便彻底检查。
Kiwi在五十年代中后期正式开始实验，此时距离加加林登上太空还有三年的时间，距离肯尼迪发表那篇著名的“我们选择去月球”演讲、阿波罗项目正式推进还有四年的时间。Kiwi反应堆的设计最大功率是1000兆瓦，随着实验的不断推进，实际达到的功率也越来越接近这个数值，在1962年，也就是加加林上天一年后，项目正式达到了设计的功率。
Kiwi的实验在六十年代中期终止，总体而言还是很成功的。下一步的研究是“Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications”，简称NERVA。这个英语名字直接翻译过来就是“可应用于火箭的核动力发动机”。顾名思义，它和kiwi最大的区别在于，它是一台完整的火箭发动机，是真正能上天的。这之间要完成的技术跨越不少，而我个人认为最复杂的一个部分在于燃料管路的设计。
Kiwi是靠地面上的泵提供燃料的，这样的设计显然不能用在真正的火箭上。NERVA必须想办法用自己的动力驱动涡轮泵，把液氢泵入反应堆，同时还需要考虑到火箭发动机外壳的冷却问题。最终采用的设计是很复杂的：燃料箱流出来的液氢在经过燃料泵的加压后，先通过火箭发动机外壳的管路，在为外壳提供冷却的同时初步升温，之后通入反应堆核心，进一步加热。加热后的气态氢一部分直接排出提供动力，一部分则导入燃料泵，形成一个工作循环。
除此之外，反应堆的控制问题也很让人头疼。地球上的反应堆可以借助重力降下控制棒，但是在失重的太空中，显然不能这样做。最终的解决方法很巧妙:NERVA使用半圆柱形的控制棒，通过旋转控制棒就可以调节它在反应堆中的投影面积，进而调节中子的吸收量。
1967年二月份，一台NERVA机组达到了75000磅左右的推力，几个月后，另一台机组以全功率运转了一个小时。到了1968年，能够让NERVA机组以发射状态进行测试的测试台已竣工（之前机组都是喷嘴朝上进行测试的），机组也第一次在真实工作状态下进行了实验，测得的数据是很理想的。一切看起来都很顺利，核火箭发动机似乎不久就能上天了。
但是1971年，阿波罗11号成功登月之后，情况瞬间逆转。阿波罗11号的登月固然是一件好事，但这并不意味着它给其他航天项目带来的影响都是积极的。它的成功意味着太空竞赛正式告一段落，对于美苏两国而言，无论结果是否如愿，这场仗都已经打完了，人们也没有必要在上面再投入更多的资金了。
登陆火星的计划被无限期延后，在月球表面建设基地的计划也是类似的情况。美苏双方都开始研究更经济实惠的把物品送上太空的方案，他们想到的方案就是可重复利用的航天飞机。航天飞机仍然采用传统的化学火箭，虽然效率有点低，但航天飞机是可以重复利用的，和完全一次性的火箭比起来，成本还是会降低不少。即使它单次发射的载荷要小于核火箭，航天飞机也可以凭借快速的周转，在短时间内多次发射，借助在轨组装技术，把航天器化整为零的送上天，也可以达到和核火箭同样的目的，至少对于当时的火箭专家而言，航天飞机应该是拥有这些优点的，虽然事实证明他们想的过于理想了。
同时，公众对于核火箭的安全也一直有担忧，在没有政治目标做导向的时代，这种担忧将会在很大程度上占据主流。无论如何，容得下核火箭的政治土壤已经不存在了。阿波罗计划的成功和美国核火箭的下马几乎是同一时间的。
美国是这样，苏联的情况也比较类似。苏联的核火箭公开的资料不多，但应该也做到了和美国差不多的程度，不然科罗廖夫也不会考虑在他的N1火箭上加一个核动力第三级。核火箭就这样沉寂了几十年，在很长一段时间，它都只存在于科幻小说里了。
这种状态一直持续到最近。伴随着第二次太空竞赛的展开，登陆火星的计划也重新被提上日程。核火箭高效的特点再次得到了用武之地。当常规火箭仍需顺着霍曼轨道花130多天抵达火星时，核动力火箭可以只用1/3的时间达到同样的效果。对于地月往返任务而言，时间并不是什么值得担心的事，因为从地球到月球最多也就一两周的时间，但去火星不一样，来去大半年的时间在失重里生活会给航天员的健康造成很大伤害，能不能顺利完成任务，也会打上一个大大的问号。核火箭的出现正好能解决这样的问题。美国现在已经提出了几个核动力的火星火箭。
当然，这并不是核火箭的极限，我们现在的核火箭仍然停留在最初级的状态，也就是有工质的核裂变火箭，况且这样的发动机也会被装在火箭上，而不是可重复利用的航天飞机上。如果将任意更优的选择加以组合，应该会给航天界带来新的变革。我想这样的变革应该不会太久就能看到。当然核聚变的发动机离我们仍然有点远，早在50年代，我们就说“50年后能看到核聚变”，结果现在还是这样说。但是核裂变发动机的研发难度要低很多很多，有现成的研究项目在，人们只需要做一些继续的发展而已。核火箭的未来仍然是光明的。
《三体》中的“宇宙社会学”，纠结在制度建构与人性道德的冲突之上
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