如果把核反应堆送上太空,说不定某天会砸在你头上

几千年来人类去宇宙的探索从来没有停止过,为了能够让太空飞行器飞的时间更长距离更远,甚至尝试过使用核燃料。

军武次位面 2017/03/16 10:05 | 评论(0)A+

好奇号火星车发射

1978年1月24日格林尼治标准时间11:53分,一颗炽热的火球从西南向东北划过了加拿大西部的天空,北美联合空防司令部早在一天前便已禁止民用飞机从此空域飞过。这既不是弹道导弹试射,也不是军事演习,联合空防司令部等待这颗卫星分类编号10361的卫星再入已经有一个月,原因正是这颗被苏联称为“宇宙-954”的卫星上,携带着50公斤铀-235核燃料。

极具象征意义的太空光伏阵列

说起太空飞行器,映入脑海的几乎都是金色的太阳能电池板,利用光电效应发电几乎成了宇宙飞行器的象征。然而由于单片光伏阵列发电有限,为提供稳定电力需要连接多片阵列,外加上阵列本身的重量,对于质量和体积都有严苛要求的宇宙飞行器来说大量的电池板无疑是梦魇。且光伏阵列的发电效率取决于太阳光的强度,飞行器要不断调整姿态确保光伏阵列能受阳光直射,更不用说离太阳越远发电量越小,不适用于远离太阳的深空探测。

国际空间站巨大的光伏阵列总计有262400个模组,总面积达2500平方米,单面阵列长达73米,超过波音777翼展。

既然太阳能不给力,那应该用什么呢?正处于冷战太空竞赛的苏联工程师们自然地选择了核能。在快中子反应堆的基础上,苏联核工程师研发了太空专用的小型BES-5反应堆。此款总重仅385千克的反应堆以直径0.2米,长0.6米,总重30千克的90%浓缩铀-235燃料棒为中心,以液态金属和贫铀包裹,产生大约100千瓦的热能后由热粒子转换器转换为3千瓦的电能。

BES-5核反应堆设计图

1967年使用BES-5的US-A苏联雷达海洋监测卫星发射升空。至1988年3月14日,US-A项目(为何我想到和苏联对立的另一个国家)先后将33颗核动力间谍卫星送入轨道,其中31颗使用的是BES-5型反应堆,剩下两颗分别代号为“宇宙-1818”和“宇宙-1867”的卫星则使用的是更先进的TOPAZ反应堆。

TOPAZ由俄罗斯全国科研中心“库尔恰托夫研究所”研发,原型机全重仅320千克,用12千克铀-235即可在3-5年内稳定提供5千瓦电力。此性能提升主要得益于燃料棒使用液态钠钾合金降温,更高的降温效率使得反应堆温度更高,除了提供卫星雷达所需电力的,还可提供电力测试装在卫星上的代号为“Plazma-2 SPT”的离子推进引擎。

▲US-A系列间谍卫星,核反应堆燃料棒放置于卫星前段的圆柱体内。

▲US-A系列卫星设计图,卫星寿命到期时会弹射出核燃料棒并送往废弃轨道(图左上)

1987年2月1日发射入轨的“宇宙-1818”成功工作6个月,同年7月10日发射入轨的“宇宙-1867“则将次纪录延长到11个月,卫星载核反应堆的可行性在这两颗卫星上得到充分验证。尽管如此,整个US-A项目却不尽如人意,核燃料的敏感性也因数次事故让苏联承受了巨大的国际压力,1988年时任苏联最高领导人的戈尔巴乔夫取消了US-A间谍卫星项目,苏联核反应堆卫星宣告终结。

▲TOPAZ反应堆等比模型,注意看和图右椅子大小对比。

在US-A间谍卫星事故中,有三次最为严重,可谓直接导致了项目的终结。1973年4月25日,发射US-A间谍卫星的火箭失控导致核反应堆掉入日本北的太平洋海域,随后美国空中检测机探测到其释放的核辐射。尽管苏联因保密原因没有公布载荷且拒绝承认发射失败,但苏联研发核反应堆卫星的事实已然暴露无遗。

▲宇宙-954卫星坠落轨道及碎片分布路径

而最让苏联尴尬的,是本文开头的“宇宙-954”卫星。1977年9月18日发射入轨的这颗卫星在工作不到3个月后便失去联络,12月中旬北美空防司令部因其不稳定的轨道开始对“宇宙-954”进行密切监视,苏联也不得不在秘密会谈中向美国政府承认已失去卫星控制。更为要命的是“宇宙-954”的核燃料棒分离装置无法工作,这意味着和其余US-A卫星不同,“宇宙-954”无法在寿命到期后将核燃料分离并推送入安全的废弃轨道,换句话说这颗卫星要带着核燃料棒一起不受控式在加拿大西北上空重返大气层。

▲准备前往回收碎片的士兵

▲正在测量碎片辐射的士兵

美国和加拿大随后联合展开“晨光行动”回收“宇宙-954”的残骸碎片,从1月24日到10月15日,美加军队通过空中和地面总共搜索了加拿大西北共计124000平方千米的地区。苏联在“宇宙-954”返回时声称卫星已被大气摩擦彻底烧毁,但美加军队还是找到12块大型碎片,其中10块具有1.1西弗每小时的放射性,大约为一般民众一年工作所受人工放射剂量。根据1972年签订的宇宙责任合约,卫星发射国要承担其所发射卫星造成的所有损害,加拿大于是给苏联送了一张6百万加元的账单,苏联最终支付3百万加元赔偿,这亦是该合约签订至今唯一一次索赔。

▲搜寻到的“宇宙-954”残骸

仅4年后的1982年4月30日,“宇宙-1402”间谍卫星在发射后故障没有进入预定轨道。虽然核反应堆成功分离,但推进器故障导致核反应堆无法进入废弃轨道,好在此次核反应堆在1983年2月7日坠入南大西洋公海,没有造成更多麻烦。除去这三次严重事故,US-A系列卫星还制造了大量太空垃圾。这是因为反应堆分离时不可避免会有部分降温用液态钠钾合金泄漏,好在凝固后的钠钾合金质量体积均不大,且飞行轨道较高,不会对现阶段的载人太空飞行器和地面造成影响。

▲SNAP-10A核动力测试卫星

苏联这边忙着开发核反应堆卫星,作为冷战对手的美国也没有闲着。1965年4月3日,一颗代号为SNAP-10A的核反应堆测试卫星在范登堡空军基地发射入轨。作为世界上第一颗核反应堆供电卫星,SNAP-10A要比苏联的US-A间谍卫星大许多,反应炉长0.37米,宽0.224米,总重290千克,37根铀-235燃料棒由液态钠钾合金降温,共提供30千瓦的热能。

▲SNAP-10A卫星设计图,核反应堆放置在卫星前端圆锥体顶部。

▲反应堆液态钠钾合金降温示意图

讽刺的是,SNAP-10A在入轨后仅43天便因为热粒子转换装置的稳压器故障而无法发电,不得不终止任务并关闭核反应堆。随后SNAP-10A和核反应堆一起被送入了1300千米高度的废弃轨道,SNAP-10A也成为美国迄今为止发射过的唯一一个核反应堆卫星。

▲SNAP-10A核反应炉及热粒子,转换装置和人大小对比

SNAP-10A的失败让NASA认识到核反应堆的不可靠,另一种发电量较小但却更安全保险的核动力装置应运而生,这便是放射性同位素热电机(RTG)。严格意义上讲RTG其实更像电池,其利用热电偶阵列接收放射性物质在衰变时所放出的热量,然后利用热电效应将其转成电能。由于不需要对高温核裂变反应进行精密调控,RTG更易控制且辐射更少,甚至可以在宇航员附近使用。

放射性同位素热电机经典构造。核心圆柱体内包裹同位素钚-238产生热量,圆柱体表面白色网格状模组及为热电偶阵列。以圆柱体为中心向四周展开的8组大型叶片是为电池降温的散热片,整个热电机可直接暴露在真空中使用。

当然这并不意味着RTG就毫无危险可言,事实上在使用RTG的阿波罗12-17号任务中,宇航员都要求将为科学仪器供电的SNAP-27型RTG从登月舱卸下并遗留在月球表面。RTG在阿波罗计划中的出色表现为深空探测器找到了可靠的电力来源,从早期的维京1,2号,先驱者10,11号,旅行者1,2号,尤利西斯号,到近期的伽利略号,卡西尼号,新视野号,再到5年前的好奇号火星车,RTG的身影可谓贯穿NASA几乎所有深空探测计划。尽管如此RTG仍然被装在探测器最外缘,以便万不得已时分离。

▲遗留在月球上的RTG

▲新视野号探测器,照片左下突出于探测器整体的黑色圆柱体及为RTG

深空探测器使用RTG几乎唯一的例外是去年进入木星轨道的朱诺号。这并不是因为NASA不想,而是冷战的结束让美国一度停止了钚-238的生产,直到2013年才刚刚恢复。事实上好奇号火星车上使用的RTG,其所用的钚都是NASA向俄罗斯购买的。在俄罗斯也没有钚-238库存后,NASA不得不在朱诺号上用回了传统的太阳能电池板,这也是朱诺号和其他深空探测器相比要大许多的原因。当然为应对太阳光在木星轨道的衰减,朱诺号上的光伏阵列是人类造过的发电效率最高的太阳能发电装置。

▲朱诺号和其他深空探测器大小对比

好奇号火星车的自拍,“屁股”上箱子里的白色圆柱体及为RTG。NASA已经确定在好奇号“兄弟”的2020火星车上,会继续使用放射性同位素热电机。

作为现阶段唯一一种深空环境下稳定安全的电力来源,RTG仍会在未来的探测器乃至深空载人飞船上使用。NASA亦在研发由放射性同位素热电机驱动的斯特林发动机,希望进一步提高RTG的发电量和发电效率。在可预见的未来,还会有更多的核燃料“上天”,继续着人类的深空探索之旅。

新闻报料

商务合作

更多专业报道,请点击下载“界面新闻”APP

分享 评论 (0)
推荐阅读