美欧拟合作研发核动力火星探测器:洞察号火星探测器

　　美联社6月10日报道，美国将与欧洲合作展开火星之旅。此举的起因乃系双方经费欠缺，部想通过联手方式既解决当前面临的难题，又继续实施原定的探测火星的计划。美国航宇局欲借此能够筹集到生产新一代核动力火星探测器的23亿美元，而欧洲空间局欲借此能在2016年将火星探测器Exomars发射升空。
　　6月15日，欧空局局长让-雅克・多尔丹在新闻发布会上说，美欧有望在Exomars火星生命探测计划上展开合作。双方将各有分工，其中火星着陆车、机器人和钻探工具由欧空局负责，火箭发射和轨道舱则由美方负责。事实上，早在今年3月美国航宇局就曾表示，两家航天局可能以轮流坐庄的形式领导合作探测项目。今年5月，美国航宇局航天科学家负责人埃德・韦勒亦表态认为，这种合作将成为寻求共同科学目标的最佳途径。
　　Exomars探测器是欧空局于2005年决定研发的火星生命探测航天器，当时计划投资6.51亿欧元，到2011年进行，射。探测器上将载有一个漫游机器人，携带一系列的研究宇宙生物学的科学仪器，探测火星上可能存在的生命。但后来这项计划在实施过程中遇到许多难题，迫使欧空局将Exomars探测器的发射时间推迟至2013年，并考虑减轻探测器有效载荷的重量。2008年11月，欧空局又宣布将发射时间推迟到2016年。尽管如此，发射和动力装置问题依然困扰着欧空局，其突围办法就是想到了与美国航宇局实现合作。
　　从美方来说，美国航宇局从2003年初就开始研制核动力火星探测器，并计划用5年或稍和一点时间试制成功，随即投入使用，整个项目经费为10亿美元。发射时先用多级化学运载火箭将探测器送入800千米以上的绕地轨道运行后，核火箭才开始工作，推动探测器冲出地球引力范围并按预定轨道在太空高速飞行，最终抵达火星进行绕飞探测或着陆考察。后来在研发过程中，整个费用大大超出预计，于是便把谋求与欧空局的合作当成出路。正好欧空局也有这种愿望，故而双方一拍即合。
　　虽然美欧合作研发核动力火星探测器的具体细节尚未透露，但是采用核火箭来进行推动的方案并未变动。其关键技术之一就是核火箭的研制问题。目前广泛使用的是技术比较成熟的化学能火箭，一提到核火箭，多数人感到陌生。其实，核火箭和电火箭以及太阳能火箭部属于非化学能火箭，亦称为非常规推进系统，有的已经付诸应用，有的尚处于发展之中。
　　核火箭发动机是利用核反应或放射性衰变释放的能量加热工作介质，使工质通过喷管膨胀后高速排出产生反作用推力的。这种发动机性能高、速度快、寿命长，但蜇术复杂，只适用长期飞行的航天器。研制中存在的主要问题是辐射防护、排气污染、反应堆的控制以及高效率换热器的设计等。由于这类问题不易攻克，所以从20世纪60年代就开始研究的核火箭发动机，至今仍处于试验阶段。
　　根据核能释放方式的不同，核火箭发动机可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。放射性同位素衰变火箭发动机的工作原理是将放射性同位素衰变产生的射线转变成热能，再加热工质形成推力，适用于0.1千克以下的低推力状态，显然不能用作火星探测器的动力装置。核聚变火箭发动机的工作原理是利用轻原子核聚合成较重原子核过程中释放出大量能量加热工质产生推力的。因为核聚变的控制问题尚未解决，这种发动机仍处于探索和研究阶段。由此可见，美国自行研制的核动力装置只能是核裂变火箭发动机。
　　按照核反应物质的状态不同，核裂变分为固体堆芯和气体堆芯两种，其工作原理部是利用重原子核裂变反应释放出大量能量加热工质产生推力的。虽然气体堆芯式核裂变火箭发动机性能更为优越，但由于还存在大量的技术难题，因此目前美国研制的用于火星探测器的核动力装置乃是固体堆芯式核裂变火箭发动机。
　　固体堆芯式核裂变火箭发动机发展较早，主要由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。反应堆通常用含铀235或钚239的浓缩物制成，工作时发生核裂变产生热能，加热工质。工质部是低分子量物质，如液氢、液氦和液氨等，一般都用液氢。输送系统将工质先送入喷管冷却套冷却推力室，然后进入核反应堆加热，最后通过喷管膨胀加速排出，从而产生推力。控制系统调节工质的流量’和控制核反应的功率，以使发动机的推力能满足实际飞行的需要。
　　火星探测器采用固体堆芯式核裂变火箭发动机进行推动的理由是，不仅它能长期工作，如可运行10年以上的时间，而且它能提供更高的速度，如每秒可达24.17千米，超过了第三宇宙速度。若探测器以化学火箭提供的第二宇宙速度飞行，抵达火星需要9个月，而以核火箭提供的高速飞行，抵达时间则可缩短到两个月之内。从长远看，核火箭还能推动载人航天器到太阳系空间遨游并送航天员在可以登临的星球上进行着陆考察和开展科学研究。
　　若要实施核动力火星载人飞船方案，送人登上火星，由于要携带航天员及其所需的生活用品和工作设备，航天器重量增加较多，肯定还要进一步提高核火箭发动机的推力。同时核动力存在的安全隐患必须引起高度重视，特别是核辐射对航天员健康造成威胁的问题亟待解决。因为核火箭飞船内的辐射量相当于每天做8次X光胸透视，长此以往会对人的身体带来损害。由此可见，核动力火星载人飞船比核动力火星无人探测器要复杂得多，所需研制成本也不可同日而语。正因如此，更需要开展国际合作。
　　如果要取代从地面发射使用的多级化学运载火箭，发展先进的、大推力高推重比的、可用于单级入轨的大型核火箭发动机，那还要解决更多的技术难题，必须投入更多的研制经费，更需要加强国际合作，进行更有效的集智攻关。假若这一设想一旦变为现实，那将是航天运载工具史上的一大飞跃。
　　鉴于美国和欧空局部已宣布，将分别于2031年和2033年派人登临火星，故而目前联手研发核动力火星探测器的举动，很可能为以后合作研制核动力火星载人飞船奠定基础。