24小时到达月球

　　30多年前一些预言家曾指出，在“阿波罗”计划之后，将出现商业空天飞机、永久性空间站以及人们将在地球和月球聚居地之间往返飞行。目前，美国航空航天局正在建造国际空间站，还在验证单级入轨可重复使用的运载器技术。今后10～15年，可能开发出两项关键技术――更先进的核推进技术和月球氧。这两项技术将为未来的更先进、更经济的月球运输系统打下基础。 　　 　　两项技术 　　 　　目前航天运载火箭的推进技术，大部分是采用液氧/液氢化学推进剂，或是一次性使用的或是部分可重复使用的。为实现经常性的月球飞行，需要新的推进技术，热核火箭便是其中之一。 　　90年代初，美国刘易斯研究中心研究了热核火箭发动机的推力，即核裂变能火箭的推力。研究表明：核火箭发动机比冲高（850～1000秒），推力大（6795～33976公斤力）。热核火箭有许多优点：1�利用它可完成整个空间飞行的推进任务； 　　2�热核火箭推进的月球运载器和月球着陆器可重复使用； 　　3�与部分可重复使用的空气制动化学推进系统相比，其近地轨道初始质量更小。 　　不过，它的可重复使用性能也存在先天不足。其一是它只能在大气层外使用。因此，必须在近地轨道建造永久性设施，如液氧推进剂补给站或一次性使用的推进剂贮箱，以便给热核火箭添加燃料。其二是它专门使用低密度液氢。这就增加了月球运输飞行器的尺寸，而且需要直径10米的有效载荷防护罩加到运载火箭上。 　　1994年，美国刘易斯研究中心和航空航天局提出一种“液氧增强型热核火箭”方案，就是把传统的液氢冷却的热核火箭与超音速燃烧冲压式发动机技术结合起来。它的主要组成部分包括一座核裂变反应堆和使推进剂受热膨胀加速的喷管、液氧供给系统和贮箱，以及一个闭合的用于产生电能和加速发动机冷却的“比瑞顿”循环系统。在“液氧增强型热核火箭”运转过程中，氧被注入热核火箭喷管的大型扩散段。该喷管相当于一个“后燃烧室”。被核反应堆加热的氢从喷管喉部喷出，并与氧在喷管扩散段自发地燃烧，从而增加了超音速燃烧冲压式发动机推进所必需的质量和能量。 　　“液氧增强型热核火箭”有潜力成为通用的推进系统。通过改变氢氧混合比，核反应堆产生相对稳定的输出能量时，就可以使该热核火箭在更宽的推力和比冲范围内工作。其推力增加了，这种更小、更便宜、更易于测试的热核火箭发动机就可以替换通常采用化学推进剂的“大发动机”，并缩短了燃烧时间，延长了发动机的使用寿命。而且，“液氧增强型热核火箭”将会更多地用高密度液氧代替低密度液氢，不用返回地球而直接补充月球氧，这将极大地减小运载器的尺寸和质量，增加了有效载荷的重量。 　　月球表面有丰富的氧，几乎一半的月球表面物质都是氧，而且有多种技术将其提炼。“阿波罗”17号登月飞船采集来的富铁火山岩或称“桔红色土壤”的这种物质，是月球氧的生产原料。这种物质大量存在，并已被颗粒化，可不经处理直接供给未来的月球氧生产厂。美国约翰逊航天中心作过实验，大约25吨富铁火山岩原料可生产一吨氧。将来，月球氧可为生命保障系统、燃料贮箱和月球着陆器的液氧/ 液氢化学火箭发动机提供氧源。在月球上生产的氧如此丰富，可以使运载器从地球上携带的氧大为减少，并减小运载系统的尺寸。运载器节省下来装填液氧的空间，可以运送大量高价搭载物，如人、实验设备和科学仪器等。 　　登月之初，核反应堆将起着关键的作用。在两个星期的时间里，核反应堆在低重力条件下可提供足够的能量，以保障遥控月面车辆、生产厂和居住舱的连续运转。随着月球氧生产规模和性能的提高，其应用范围也将扩大，包括金属加工（如铁和钛），月球着陆器和近月轨道推进剂补给舱的维持、运转，以及为开发月球旅游业服务。 　　 　　如何将理想变为现实 　　 　　美国航空航天局研究过利用月球轨道汇合点，实施月球旅行、建立月球运输系统的任务。其构想是：（1）减少空间基础设施的早期投资；（2）取消体积和重量都很大的起飞助推器；（3）尽可能增大每次在月球登陆的有效载荷；（4）尽量减少月球往返旅途的“重复使用费用”。为了达到上述目的，可采取如下的做法。 　　第一步，先建造月球氧生产厂。使用一次性的“完全液氢”的热核火箭，最大限度地向月面运送有效载荷；每次飞行增加的有效载荷专门用于运送“模块化”的月球氧生产设备，开发和应用月球氧；尽早为月球着陆器和月球运载器充氧，并逐渐过渡到使用“液氧增强型核火箭”。 　　然后利用政府拨款的节余和月球氧工业的利润，发展另外的“空间设施”，如建造近地轨道和近月轨道推进剂补给站，以支持以后的运载器的重复使用。 　　在建成了月球氧补给站之后，可使用两架推力为66吨的航天飞机，将设备部件运送到近地轨道的汇合点，完成飞向月球运载器的组装。 　　当月球前哨的重要器材和月球氧的生产水平足够支持以月球表面为基地的月球着陆器时，就算成功地迈出了减少空间运输费用的第一步。而一次性使用的热核火箭也有了足够的推进剂在重复使用的模式下运转，它能将至少9吨的有效载荷运到近月轨道。在每次执行新任务之前，一次性使用的航天飞机推进剂贮箱将为热核火箭重新加注燃料。 　　第二步，当月球氧可在近月轨道使用时，两个推力为6795公斤力的热核火箭将采用液氧推进剂补给系统和双推进剂工作的加力燃烧室。最初应用这个“液氧增强型热核火箭”的是较小的、可重复使用的月球运载器。它每次飞行至少能将36吨货物和地球供给的液氢送到近月轨道。以月面为基地的月球着陆器将运送月球氧到近月轨道补给站，之后装上从地球运来的液氢和其他货物返回月球。 　　采用“液氧增强型热核火箭”为动力的月球运载器，返回地球时可以多带回21吨月球氧。在往返路上，“液氧增强型热核火箭”发动机的氢氧混合比为3，推力可提高到275％。推力的增加将整个飞行工作时间减少了约30分钟，因此，可成倍延长“液氧增强型热核火箭”发动机使用寿命。 　　 　　典型的月球旅行方案 　　 　　随着月球氧的大量生产和以可重复使用的“液氧增强型热核火箭”为基础的月球运输系统的投入使用，最初的月球前哨基地，将成为代表政府和私营风险事业的科学家和工程师们永久性定居点。“液氧增强型热核火箭”方案可使快速地经常往返于地球和月球之间的航天飞机变为现实，这种航天飞机单程往返一次的时间约为24小时――相当于从华盛顿特区到澳大利亚悉尼的时间。在“阿波罗”计划中，用“土星”5运载火箭3天半到达月球，飞行速度需要4�1公里／秒；而24小时到达月球的旅行，飞行速度要达到6�9公里／秒。 　　装备“液氧增强型热核火箭”的航天飞机可以在一天内将15吨搭载货物运抵月球。在通常往返于地球和月球之间的飞行中，我们假设“液氧增强型热核火箭”航天飞机使用“地球供给”的43吨液氢与105吨液氧，以及92吨月球氧，它的两台“液氧增强型热核火箭”发动机整个工作时间约47分钟，那么，它离开时氢氧混合比为4（总推力约为4391公斤力，比冲约为607秒），归航时混合比为6（总推力约55266公斤力，比冲约545秒），几乎是达到了最佳性能，这样的性能允许运载器组件可以制作得足够大。其乘客舱直径大约4�6米，长约8米，能用当前的航天飞机或下一代可重复使用的运载火箭将其运抵近地轨道。 　　“液氧增强型热核火箭”推进与月球氧相结合的推进系统，可以达到约1500到2000秒的“有效比冲”，是相当高的性能指标。相比较而言，一个使用化学推进剂的先进推进系统（推进剂质量系数为0�88，比冲约为480秒），其近地轨道初始质量和需要的月球氧，比执行同样航天飞行任务的“液氧增强型热核火箭”高出2到3倍。 　　那末，空间旅行如何开始呢？乘客首先搭乘一架未来的穿过大气层的航天飞机或可重复使用的运载火箭飞往国际空间站。在那里他们将进入乘客运输舱，舱内有自身生命保障系统，仪表设备、控制系统以及辅助推进系统。乘客运输舱是“液氧增强型热核火箭”推动的航天飞机的重要组成部分，装有电子控制操纵系统。它是18名乘客和2名乘务员去月球途中的家。从国际空间站分离后，乘客运输舱与在安全距离外等候、已加足燃料的“液氧增强型热核火箭”航天飞机对接。在适当时刻，“液氧增强型热核火箭”发动机点火升空，航天飞机迅速爬高脱离近地球轨道。 　　经过24小时的飞行之后，航天飞机到达近月轨道，乘客运输舱分离，与等在那里的月球着陆器对接。近月轨道上的推进剂补给站为轨道上的航天飞机加注充足的月球氧，以使航天飞机返回地球轨道。月球着陆器加上从地球带来的液氢，送乘客运输舱到月球表面。乘客运输舱由自身的电子控制系统操纵进行月面行走。而后，它与月球基地的密封舱会合，乘客到达目的地。 　　除了去月球本身令人十分兴奋以外，人们还期望“液氧增强型热核火箭”能把空间运输发展到地球以外任何可得到液氧和液氢的地方，如火星系统、主要的小行星等。在不久的将来，“液氧增强型热核火箭”和月球氧方案将能向公众提供革命性的空间运输。■