Home / 評論分析 / 博評 / 軍事博評 / 【軍事博評】William:俄國試射場爆炸 核動力火箭曝光?

【軍事博評】William:俄國試射場爆炸 核動力火箭曝光?

離靶場最近的城市北德文斯克,是俄國海軍造船與維修中心。(網絡圖片)

 

8月9日(星期五),俄國國家原子能公司(Росатом,英文簡稱Rosatom)發表報告,指位於北德文斯克以西30公里Nyonoksa小鎮的俄國海軍試射場發生液體火箭引擎爆炸,造成五死三傷的事故,這是本星期內第二宗俄國軍事設施爆炸事故。不過事故耐人尋味的有兩項:1. 事故造成一定的輻射洩漏,令北德文斯克地區輻射水平由背景值的0.11微西佛(microsievert / 1 μSv) / 時跳升至2微西佛 / 時(相當於照了兩次手臂X光),雖仍遠在危險水平之下,但單純未裝彈頭的液體火箭引擎在爆炸時也不會輻射洩漏;二來公報消息的Rosatom之前未參與過任何火箭研發項目,但有指死亡的五人均是該公司職員。而更令人奇怪的是,Rosatom同時有為俄國發展核能與核武,而樓上已指出一般液體火箭試驗也不會裝上核彈頭(以免意外爆炸而波及彈頭,造成危險),一般火箭或潛射洲際彈道導彈測試也沒有可能涉及Rosatom的員工,令人更懷疑事故與利用核反應堆進行的推進系統有關。

事故當日的災場,火勢幾乎可肯定是燃料爆炸。(網絡圖片)

 

由最近的調查可知,2017年底開始試射的海燕式核動力巡航導彈(9M730),事實上就是以Nyonoksa試驗場為發射試驗基地。而媒體亦不只一次指出該導彈試驗時失敗,部分更引發核燃料洩漏,造定一定的輻射污染,幸而由於極北地區人跡罕至,才沒有造成嚴重問題,根據美國現時的情報,至現在為止似乎只有一次成功的試驗。由於該巡航導彈可能涉及新式的溶鹽式小型核反應堆(或者開式反應堆),有Rosatom的工程人員也一點不奇怪了。

海燕核動力巡航導彈的清晰近照。(YOUTUBE截圖)

 

不過在Rosatom最新的回應中,卻承認發生意外的裝置是isotope power source for a liquid-fuelled rocket engine(液體燃料火箭引擎的同位素動力源)。由於巡航導彈用的是渦輪噴射引擎(Jet engine),肯定不包括什麼火箭引擎了。至於這句用詞倒是很隱晦,同位素動力源能提供很多時指的就是核電池,它們主要供熱,而且熱能及動能均不足以推動液體燃料火箭的燃料泵(這種泵通常是利用火箭燃料燃燒的部分尾氣推動的),更無法加熱燃料,故也無助推進。由於任何種類的核燃料也是同位素,現時並不排除Rosatom所講的火箭發動機,其實也是一種火箭用核反應堆推進系統,即是我們一般所認識的核熱火箭(Nuclear Thermal Rocket),故若Rosatom所言屬實,這應該是一種作為太空航行動力的核動力火箭!

預定用於火星探索任務的MMRTG,能提供1.2kW熱能及125W電能,雖然持續很長時間,但輸出仍微不足道。(網絡圖片)

 

核熱火箭其實亦始源於60年代,當年美蘇太空競賽仍非常激烈,核能亦被應用到各種領域上,除早已實用化的大型發電與船用推進系統外,還有更大膽的核動力飛彈、飛機、火箭、家用發電機,甚至汽車。其中,由於先前的核動力飛機建造經驗及設計,令設計者們開始掌握如何建造極緊緻而能讓流體輕易流過的開式反應堆。

自帶反應堆的概念車Ford Nucleon,1957年時提出。(網絡圖片)

 

當1957年及61年蘇聯率先完成衛星發射及載人宇宙飛行等壯舉時,美國的太空任務進度其實是落後了。為扳回形勢,NASA決定成立Space Nuclear Propulsion Office (SNPO),並尋求以更激進的方法扭轉蘇聯當時擁有的液燃火箭優勢:把美國空軍研究了幾年的核動力ICBM上面級(即將第三段的空間推主火箭改為以核裂變火箭推進)拿來繼續改良,成為用於空間推進的核熱火箭Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA)。

NERVA的運作原理及基礎結構。(網絡圖片)

 

NERVA本來作為更遠期前往月球、火星及更外圍行星的載具,是第一種可實際運作的核熱火箭引擎,這種火箭引擎屬於固體堆芯引擎(也是唯一一種有實物的核熱火箭引擎,其他三種現時仍只停留於設計階段),其核心是一個以鈾鋯合金為燃料棒、以鈹及硼為控制棒的開式反應堆,一經啟動,液態氫就會被泵入管道並流入燃料棒中,帶走高熱並在尾端的燃燒室 / 噴嘴急劇膨漲,成為推動火箭的工質。由於溫度比一般液態火箭燃料燃燒時更高,氫的膨漲更厲害,而且不再需要液氧助燃,整支火箭帶著液氫即可,是故核動力火箭不但有超過兩至三倍一般液燃火箭的比衝,達到1000秒(這裏是指在這部發動機下,1公斤物質產生1公斤推力大約可持續多少秒),且燃燒時間甚至可多達半小時(而一般火箭的上面級大約只能燒8-12分鐘),更重要的是引擎體積較小,所獲得的加速度卻遠非任何一種傳統化學能可比。

 

NERVA的詳細結構。反應堆及燃料棒本身有很多孔道,讓高壓氫氣流過。(網絡圖片)

 

NERVA計劃先後進行過60次地面測試,最長可運行時間達55分鐘(停機原因是液氫已經用盡),運行暢順。不過1972年後尼克遜大幅削減太空經費至只餘下1/3,迫令NASA關閉SNPO,美國的核熱火箭計劃也就一直停擺,沒有一個引擎能夠進入宇宙空間測試。

蘇聯RD-0410核熱火箭引擎(左)與NERVA實體的比較。這裏RD-0410沒裝噴嘴,噴嘴原應安裝於頂部方向。(網絡圖片)

 

蘇聯隨後在65年亦展開相關的研究,其成果是RD-0410型核熱火箭引擎。RD-0410的全系統(連燃料)約15噸左右,功率及重量都比NERVA系列小,但能塞進質子火箭的上面級,可連續運行1小時並具備910秒的比衝量,該火箭引擎要到1978年才完成設計及製作原型,並擁有約3.57噸的推力,大約只有NERVA的1/10,雖然推力小於同期質子火箭的最上面級,大約只有40%,但由於比衝高而燃燒時間長,實際加速能力反而更高。本火箭原計劃在1985年裝在質子火箭的第四級上準備試飛,而且計劃日後再建造推力更大的RD-0411型,作為火星之旅的推進引擎。不過不斷延時的計劃、切爾洛貝爾核災難以及蘇聯經濟日衰,令該計劃沒能繼續下去,

RD-0410基本結構,以及其花瓣狀的燃料通道,由於接觸面積增加,吸收熱能更有效率。氫燃料的預熱在反應堆頂部進行,不像NERVA般在堆芯外圍再架設預熱管道。(網絡圖片)

 

 

核能火箭停止研發的主因,除了美蘇兩國太空競賽在70年代以後開始減弱,且計劃並未有明顯的軍事實用價值以外,更重要的是它們的安全性與實用性:當時的核熱火箭仍屬開試設計,即爐芯物質完全暴露在氫燃料當中,而氫燃料受熱後就會在燃燒室極速膨漲,形成極大堆力,但同時也有機會將輻射物直接帶出來暴露在空氣中,加上反應堆不能在噴氣位置製作任何屏障,重量關係在引擎室外製作重量適合的屏障也不容易,結果若在大氣層內使用,和噴輻射沒有分別,為安全起見只能在離開大氣層後使用而已(這也嚴重限制它們的軍事價值)。

直飛火星的巨獸,左側是1960年代構思的UR-700A型核熱火箭,使用RO-31核引擎(即後來的RD-0411),大氣層飛行時使用第一及第二節,至近地軌道後以第三節核引擎脫離地球引力,第四節是入軌減速用。圖右為NASA準備登陸火星用的NTRS設計概念。(網絡圖片)

 

核動力火前螫伏1/4個世紀後,2010年代又再度熾熱起來:NASA開始規劃所謂2030年代火星登陸任務,由於地火距離及入軌問題,就算在大衝前後的發射窗口前後發射,都要飛至少6000萬公里,由地球以火箭到達火星都至少要8-9個月,但若以比衝更長的核裂變火箭發射,在更高加速度下,只需要3個月左右就可到達,不但減少糧食物資需要,也能減少太陽風暴及宇宙射線對太空人的危害。故NASA開如籌劃製作新一代的載人核動力太空船,並由核能火箭作驅動,現時更計劃在軌道上組裝船身、反應堆及引擎,以減少反應堆射上太空帶來的危險性。該計劃現在已獲得美國政府1億美元的撥款,並在不早於2024年開始試飛。

不同任務模組的NTRS,可支援短期及長期火星旅程。(網絡圖片)

 

俄國也不甘後人,而且是技術較高的核電離子推進系統TEM,基本是將作為功質的推進物質先進行電離,然後再以電磁場將呈正電荷的離子加速推離,借以產生反作用力推進。TEM所用的雖然也是低功率的核反應堆,發電量只有1 MWe,但仍比過去以太陽能驅動的離子引擎電源大得多(那些最多只有數十W左右)。而離子推進雖然推力低,但由於可極長時間開動及加速,比衝甚至比核熱火箭還高,對於太空旅行而言其實最好。依據報道,現時TEM正在組裝其高溫快中子反應堆,而冷卻系統亦已設計完成,預計原型機可在2020年代初裝上火箭,進行實驗。

TEM核動力長程推進系統。其被視為一種宇宙拖船。核反應堆在前方,後面是冷卻板,最後的十字結構為四個離子推進噴射器及工質的儲存艙。最後為要搭載的載荷。

 

 

不過,如前所述,照現時俄核工的說法,意外似乎和TEM沒有關係,因為TEM沒有用液體火箭燃料,時間也趕不上進度;另一方面,與美國一樣,俄國同樣有較長時間的核熱火箭地面運行經驗,是故重新開啟熱核火箭研究(即使是小規模)也不是沒有可能的事;而且既然現時已發展出超小型巡航導彈用的核噴射引擎,用同樣堆芯(無論是盛傳的開式反應堆還是閉式的溶鹽堆)用來研發小型核熱火箭也不是什麼奇怪的事,而且也節省不少經費呢。

手機分享本文:

Scan the QR Code
William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

Check Also

【軍事博評】呂琪:國慶閱兵——現身裝備有何亮點?

  繼9月7日國慶閱 ...

發表迴響

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *

這個網站採用 Akismet 服務減少垃圾留言。進一步瞭解 Akismet 如何處理網站訪客的留言資料