第一章 早期年代——空间核电源系统腾飞

1942年在芝加哥大学的人类第一个核反应堆运行 [1]，而美国首次开展在太空中使用核能的研究仅仅是几年之前。第二次世界大战结束后不久，当美国国会1946年颁布《原子能法案》时 [2]，原子能的控制权从军方转移到了民间。依据该法案，美国成立了原子能委员会(Atomic Energy Commission,AEC)，并于1947年1月1日开始运作，当然其发展仍与军事目的有关。

到了20世纪40年代末和50年代初，AEC和美国国防部的研究开始表明，放射性同位素衰变和核裂变过程产生的能量在除原子能武器之外的其他用途上具有很大的潜力。这些研究是在美苏冷战初期的背景下进行的。在冷战初期，双方都寻求拥有超越对方的军事和技术实力，这些研究设想了用于军事侦察卫星的放射性同位素电源和反应堆电源，以及用于洲际弹道导弹的核反应堆推进系统。

大约在同一时间，美国开始努力扩大和平时期原子能的发展。1953年12月8日，美国总统艾森豪威尔在纽约联合国大会上发表了题为“和平利用原子能”的演讲，提出了国际原子能管理以及原子能开发和用于和平目的愿景。第二年，即1954年，国会通过了一项新的《原子能法案》，为私营工业发展核能打开了大门，并促进了与其他国家的核技术交流。[3]

关于原子能为卫星供电的可行性研究很快得到了一项可行性演示的支持。1954年初在俄亥俄州AEC的土墩实验室，两位孟山都公司的科学家展示了一种装置，能够将放射性同位素钋-210自然衰变产生的热能转换为电能。基于温差电原理(又称塞贝克效应【见附录C1,C2】)，研究人员利用来自钋同位素的热能在热电偶两端产生温差，结果产生了1.8 mWe¹的电力，世界上第一台放射性同位素温差发电器(radioisotope thermoelectric generator, RTG)诞生了。[4],[5]

这些早期的努力在1955年促成了两项主要的AEC计划：(1)核辅助电源系统(Systems for Nuclear Auxiliary Power,SNAP)计划，其重点是使用核反应堆和放射性同位素为卫星供电；(2)漫游者计划，其重点在于开发核火箭。在这些早期的研究和开发工作开始取得成果后不久，苏联于1957年10月发射了第一颗人造卫星(斯普特尼克I)，为这些新型电力系统的开发提供了新的驱动力。很快，随着科学家和工程师学会了以更新颖、更具创造性的方式使用原子能，一个完整的产业出现了，最终让人类走向了遥远的太空。

自20世纪50年代中期以来，美国开展的空间核动力系统技术和计划包括放射性同位素电源系统(静态和动态)以及为空间动力和推进而开发的反应堆系统。《太空中的原子能：一段历史》介绍了早期(1987年以前)空间核动力开发和使用的历史，主要集中于RTG技术。[3] 该书和其他著作中所记录的历史和技术描述了为解决在太空中使用核动力的许多技术问题而付出的开创性努力，并证明核动力非常适合某些类型的空间任务。本章简要回顾了这些早期工作，因为它们为本书其余部分中对计划和任务的讨论奠定了基础。它们还为了解空间核动力系统技术的演变以及影响其发展的一些政治和社会环境提供了基础。

SNAP计划开始实施

SNAP计划由两项独立并行的工作组成。开发将放射性同位素自然衰变产生的热能转换为电能的系统被授予位于马里兰州巴尔的摩的马丁公司下属马丁核部门。开发利用核反应堆内裂变过程产生的热能的系统被授予北美航空公司下属原子国际部。为了将放射性同位素系统与反应堆系统区分开来，AEC设计了一个简单的编号方案：奇数(例如SNAP-1)用于放射性同位素系统，而偶数(例如SNAP-2)用于反应堆系统。编号中的字母表示同一系统之间的设计差异²。虽然系统是为空间和陆地应用而开发的，但本书只关注空间核动力系统。

马丁公司开发的第一个放射性同位素电源系统SNAP-1，利用铈-144衰变产生的热量来加热液态汞使其沸腾，以驱动小型涡轮机发电，其目标是在铈元素60天的寿命内产生500 We的电力。尽管测试证明了第一个使用朗肯热力学循环的动态放射性同位素电源系统的可行性，但由于系统所需更长的运行寿命以及高效热电材料的出现等因素，该装置从未完全开发用于太空项目。[3]

随着SNAP-1的开发工作取得进展，马丁公司与西屋电气公司、明尼苏达矿业和制造公司(简称 3M公司)签订合同开发一种无运动部件的电力系统，即RTG，这与肯尼斯·乔丹博士、约翰·博登博士所展示的概念类似。此类系统称为静态放射性同位素电源系统。1958年12月，3M公司交付了一种RTG，该装置使用AEC旗下土墩实验室封装的钋-210燃料芯块生产2.5 We电力。1959年1月16日，美国总统艾森豪威尔在椭圆形办公室展示了一个名为SNAP-3的小型原子电池。[3]

随着RTG技术的快速发展，第一台RTG不久就进入了太空。这一机会的产生源于海军舰艇和飞机对导航卫星的迫切需求，这是当今全球定位系统(global positioning system,GPS)的先驱。海军子午仪计划需要一个能使卫星运行5年的电源。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的约翰·达索拉斯不确定标准化学电池是否能够持续运行这么长时间。在参加一次会议返程途中，他与AEC的古弗伦·安德森进行了一次偶然的交谈，了解到了SNAP计划。在参观了位于巴尔的摩的马丁设施后，达索拉斯获得了AEC的许可，可以在子午仪卫星上使用RTG。3M公司制造的SNAP-3型RTG被修改为使用钚-238而不是钋-210，从而利用了钚同位素的更长半衰期(钚-238的半衰期为88年，相比之下钋-210的半衰期不到5个月)。[3]

名为SNAP-3B的改进型RTG可输出2.7 We电力，并于1961年6月随子午仪4A号卫星发射升空，从而标志着世界上首次在太空使用核能。子午仪4A号卫星一直运行到1976年，远远超过其预期寿命。另一台SNAP-3B型RTG于1961年11月随子午仪4B号卫星发射升空，一直运行到1971年。SNAP-3B型RTG的成功使用为卫星上太阳能系统的供电能力提供了补充，清晰地证明了RTG作为空间核动力系统的可行性。这些卫星及其RTG仍在地球上方的轨道。[3],[6]

虽然SNAP-3B装置为子午仪4A号和4B号卫星提供了补充电源，但下一个目标是证明使用RTG作为海军卫星的唯一电源的可行性。由于用户要求提高电源的生存能力，SNAP-9A型RTG应运而生，用于海军导航卫星子午仪5BN-1号、5BN-2号和5BN-3号。与SNAP-3B一样，SNAP-9A装置也使用钚-238，但其设计输出功率为25 We，几乎是SNAP-3B装置的10倍。子午仪5BN-1号卫星于1963年9月28日成功发射，子午仪5BN-2号卫星也于1963年12月5日成功发射。第三颗卫星子午仪5BN-3号于1964年4月21日发射。然而，该卫星未能进入轨道，SNAP-9A型RTG也经历了再入大气层。根据当时使用的“烧毁耗散”安全设计理念， SNAP-9A装置及其金属钚燃料燃烧毁坏，导致其消耗扩散到大气中。尽管没有不可接受的健康风险，但随着未来RTG计划使用更多的钚燃料，AEC将其空间核动力系统的安全理念改为“完整再入”。[3]

继1964年的子午仪5BN-3号事故之后4年，又1台RTG随卫星发射升空³。在这些年中，AEC及其承包商继续RTG的开发，包括将“完整再入”的安全理念纳入新的RTG设计，并开发新的钚燃料形态，以取代SNAP-3A和SNAP-9A 型RTG中使用的金属燃料。

SNAP反应堆加热升温

随着早期RTG开发工作的成功，SNAP计划下的空间核反应堆概念研发也开始取得成果。根据与AEC签订的合同，原子国际部于20世纪50年代中期开始开发一种紧凑型氢化铀锆反应堆，用作空间核电源系统的热源。到1959年，AEC和空军启动了一个名为SNAP-2的联合项目，以开发一种利用反应堆和液态金属(汞)朗肯电力转换装置(SNAP-1项目中使用的转换技术)的电源系统。 6汞朗肯循环转换系统的开发由汤普森·兰姆·伍尔德里奇公司(简称TRW公司)承担。然而，由于缺乏任务，SNAP-2计划于1963年被改为更广泛的空间核电源计划。[7]

在SNAP-10计划中，设计了一个300We的反应堆电源系统，该系统利用了美国无线电公司开发的硅锗温差发电器。该计划于1959年完成，随后于1960年重新规划定位，与SNAP-2反应堆相结合以开发一个更高功率的反应堆系统。这一重新规划定位生成了SNAP-10A计划。根据该计划，原子国际部开发的SNAP-2反应堆与美国无线电公司开发的温差发电器相结合，产生了一个430千克、500We的空间反应堆电源系统，用于原理飞行验证。[7]

1965年4月3日，在名为SNAPSHOT的飞行测试中，SNAP-10A反应堆电源系统从位于加利福尼亚州西南部的范登堡空军基地发射升空。一旦进入700英里的高空轨道，反应堆就由远程信号控制启动。该系统按设计运行了43天，产生了500度的电力。然而，航天器上的电压调节器发生故障，导致反应堆关闭，使卫星无法运行。SNAP-10A至今仍是美国太空计划的一个重要里程碑。它不仅证明了通过远程启动和控制在太空中安全可靠地运行液态金属冷却反应堆电源系统的可行性，也是世界上第一个在太空中成功发射和运行的反应堆电源系统。[7]

尽管SNAP-10A是SNAP反应堆计划中最显著的成就，但仍有其他著名的SNAP反应堆计划包括SNAP-8和SNAP-50。应NASA的要求，SNAP-8计划于1959年启动，旨在开发用于核电推进系统的反应堆。由此产生的反应堆电源系统采用汞朗肯循环，产生30～60 kWe的电力。在SNAP-50计划中，开发工作重点是演示锂冷却反应堆与钾朗肯循环结合，能够产生300～1000 kWe的电力，用于电推进，以及为空间飞行器和大型载人卫星供电。[7]

基于反应堆的空间电源系统的进一步研究一直持续到20世纪60年代后期，但由于国家优先事项的变化，在1973年基本上停止了。正如后面几章所讨论的，空间核反应堆系统将在诸如空间动力先进反应堆(Space Power Advanced Reactor,SPAR)项目和SP-100计划中重新引起关注。[8] 然而，在RTG方面，并没有出现这种放缓，因为年轻的RTG技术很快就被一个更年轻的国家太空机构所使用。

RTG为NASA任务供电

在海军子午仪计划成功实施和SNAP计划正在开发空间电源系统的背景下，NASA对空间核电源系统的兴趣日益增长。NASA首次使用新的空间核技术是在地球轨道的雨云号气象卫星上。为了用功率大约为50 We的RTG补充200 We太阳能发电系统，开发了SNAP-19B型RTG。

SNAP-19B型RTG的输出功率约为23.5 We，使用了一种新的热源，反映了AEC在1964年子午仪5BN-3号事故后采用的“完整再入”安全设计理念。例如，SNAP-19B的热源被设计为可在正常运行条件以及在发射中止或再入大气层等异常条件下密封钚燃料(微球)。新RTG的首次使用是在1968年，当时NASA从范登堡空军基地发射了一颗搭载2台SNAP-19B型RTG的雨云B号气象卫星。

升空约2分钟后，运载卫星及其SNAP-19B型RTG的火箭偏离了航线，导致任务中止。中止引发的爆炸摧毁了运载火箭，随后2台RTG坠入加利福尼亚州海岸圣米格尔岛以北的圣巴巴拉海峡。5个月后，SNAP-19B装置在大约90米深的海底被完整地回收。SNAP-19B的热源已按设计运行，它们被送回土墩实验室，在那里燃料被回收并在后续的飞行任务中重复使用。

1969年4月，NASA成功发射了一颗雨云3号气象卫星，再次搭载了2台SNAP-19B型RTG。雨云3号气象卫星标志着NASA首次成功使用RTG，从此NASA开始了与核技术的合作，不久后这项技术就登上月球。[9]

作为20世纪70年代阿波罗科学任务的一部分，几个科学站(阿波罗月球表面实验包)被放置在月球上。从第二次登月开始，一台新的RTG(SNAP-27)被用来为实验包提供电力。SNAP-27由通用电气公司根据AEC合同研制，其设计采用了马丁公司在之前SNAP-RTG中使用的碲化铅热电转换技术，但在电源系统层面采用了在月面再将热源插入其中的设计。与其他马丁公司的RTG类似，热电转换器由3M公司生产。SNAP-27的设计功率输出约为63.5 We，最终共有5个SNAP-27型RTG用于该任务。所有这些系统都工作得非常出色，为50多种科学实验以及将数据传回地球的通信设备提供电力，一直到1977年阿波罗月球表面实验包关闭。[4]

1970年，另一台SNAP-27型RTG伴随命运多舛的阿波罗13号任务发射升空，但这台RTG从未在月球上部署过。在主飞船发生爆炸后，登月舱(搭载SNAP-27型RTG)在返回地球时从指挥舱中被丢弃。在再入大气层期间，登月舱解体，RTG落入汤加海沟附近的太平洋。随后的监测中没有发现可检测到的放射性，表明RTG经再入大气层后完好无损地存活了下来。

尽管在阿波罗任务期间使用了SNAP-27型RTG，但它并不是首次在月球上使用核能。在第一次阿波罗任务中，尼尔·阿姆斯特朗和埃德温·“巴斯”·奥尔德林⁴部署的早期阿波罗科学实验包使用了2个放射性同位素加热器单元(radioisotope heater unit, RHU)，每个单元提供15 Wt的热能，以便在漫长的(14个地球日)、寒冷的月夜中为实验包保温。该实验包使用太阳能电池供电，这意味着实验必须在月夜停止。[10]

在同一时期，NASA还发现核电源在月球以外的太空探索中非常有用。先驱者10号于1972年3月发射，先驱者11号于1973年4月发射，它们穿越小行星带，飞越木星，离开太阳系。每个航天器都携带了4台输出40 We电力的SNAP-19型RTG和12个RHU，每个RHU设计的热功率输出为1Wt，以保护仪器和推进器免受低温影响。[10] 太阳能电池板在这些任务中是不可行的，因为距离如此之远以至于太阳提供的能量不足以为航天器的系统和实验提供电力。RTG表现完美，在最初预期的30个月任务完成后很长一段时间内仍能供电。1995年11月，经过土星和木星的先驱者11号停止了无线电通信。先驱者10号的无线电信号在其发射升空30多年后的2003年1月终于丢失。仅由RTG提供电力的条件下，空间探测器获取并提供了有关木星、土星和外太阳系的宝贵信息。正如NASA的一位历史学家所写的那样，“这项计划是一个巨大的成功，也许这是一种轻描淡写。如果没有每个航天器上的4台RTG提供电力，就不会有这样的成功”。[4]

先驱者号任务完成后，NASA于1975年向火星发射了2个着陆器，继续使用RTG供电。维京1号和2号分别于1975年8月和9月发射，每一个着陆器都由2台SNAP-19型 RTG提供电力。最初设计SNAP-19型RTG是用于太空真空环境，为能够在火星大气中运行，必须对其进行改进。NASA之所以选择RTG而不是太阳能电池板，是因为太阳能电池板上的灰尘会聚集，从而减少发电量。在RTG的帮助下，实现了对火星环境的表征，从火星表面传回了数千张图片，并对火星表面进行了首次测试，它们的运行时间超过了最初的90天要求。[3] 与维京2号着陆器的通信于1980年4月中断，与维京1号着陆器的通信于1982年11月中断。[11]

随着RTG在整个20世纪70年代为NASA任务提供电力，该技术在1972年再次在海军导航卫星上得到应用。在一个系列实验(包含三项分实验)的第一项实验中，Transit-RTG被用于TRIAD ⁵实验卫星，该卫星于1972年9月2日在范登堡空军基地发射。Transit-RTG成为卫星的主电源，它使用SNAP-19热源可提供约37 We的电力。该系统按设计运行了约一个月，此时遥测转换器发生故障，无法进一步监测RTG功率水平。然而，此后数年卫星的持续运行表明RTG仍然在继续提供电力。[10]

不断变化的环境

虽然20世纪70年代的阿波罗、先驱者号和维京号任务取得了巨大成功，但这10年美国的核研究发生了重大变化【见附录C3】。依据1974年的《能源重组法》[12]，原子能委员会被废除，其职能被新的能源研究与发展管理局和核管理委员会分割。此后又过了两年多，能源研究与发展管理局、联邦能源管理局、联邦电力委员会及其他机构在1977年《能源部组织法》颁布后合并为新的能源部。新部门于1977年10月1日开始运作。

当行政部门发生这些变化时，空间核动力应用并未被忽视。人们致力于开发硒化物等先进热电材料，希望提高温差发电器的整体转换效率。在20世纪60年代初开始的工作基础上，NASA和能源部开始了新的与布雷顿、朗肯热力学循环技术相关的开发与应用工作，因为具有更高效率的动态电力转换技术重新引起了人们的关注。除了正在进行的研究和开发外，国防部再次把注意力转向RTG技术⁶。

1976年3月14日，空军成功发射了林肯实验卫星8号和9号，每颗卫星都由2台数百瓦级放射性同位素温差发电器(multi-hundred watt radioisotope thermoelectric generator,MHW-RTG)提供电力。MHW-RTG由通用电气公司设计，在任务初期提供157 We。由于使用了硅锗热电偶，而不是SNAP-19型RTG中使用的碲化铅热电材料，允许在更高的温度下运行，从而提高了整体转换效率。随着温度的升高，MHW-RTG的比功率(4.2 We/kg)比SNAP-19(3 We/kg)有了显著提高。这些卫星是在同一个运载火箭上发射的，但随后被转移到不同的轨道上。一旦进入轨道，这些卫星就相互连接，并与地面终端连接，从而在覆盖地球表面四分之三以上的区域提供通信。[3]

20世纪70年代RTG飞行的大结局包含了有史以来最大胆的太空任务之一——一对被称为旅行者1号和旅行者2号的航天器。旅行者1号与旅行者2号分别于1977年9月和8月发射，每艘飞船都由3个MHW-RTG提供电力，总共提供475 We。每艘飞船还搭载了9个1 Wt加热器单元，与先驱者号上使用的类似。MHW-RTG使旅行者号飞船能够在更长的任务周期内运行，从而使探索木星、土星、天王星和海王星成为可能。这是当时计划的最长周期任务。旅行者号发回了引人注目的照片，给公众留下了深刻的印象，任务获取的新数据改变了科学家对太阳系的理解。[3]截至2014年，位于星际空间的旅行者1号和位于太阳系边际的旅行者2号在服役超过34年后仍在工作，继续向地球发回科学数据。

随着20世纪70年代接近尾声，尽管阿波罗登月任务终止， NASA的太空计划仍保持着较高的知名度。维京号火星任务和旅行者号外行星任务使太空探索成为公众关注的焦点，并有助于维持研发资金投入。RTG技术和热源技术的进步造就了更安全、更强大的RTG系统。然而，空间放射性同位素和反应堆电源系统并不是能源部及其前身在早期年代的唯一关注点。美国能源部还平行地启动了一项与SNAP计划相当的计划，致力于天基核热推进技术和核电力推进技术的开发。

一枚名为漫游者的火箭⁷

与它的核电源同行一样，核热推进系统的开发起源于1955年，当时美国空军和原子能委员会对使用核反应堆作为弹道导弹推进系统的可能性重新产生了兴趣。1953年，罗伯特·巴萨德的一篇论文激发了人们的兴趣，其中提出了基于反应堆的火箭在重型载荷运载方面优于化学推进。出于对这种系统的希望，洛斯阿拉莫斯科学实验室(后来更名为洛斯阿拉莫斯国家实验室)和劳伦斯辐射实验室(现在称为劳伦斯利弗莫尔国家实验室)启动了研究计划，以开发用于弹道导弹推进系统的核热火箭。[13]

尽管AEC实验室最初是并行工作的，但资金限制导致了1957年初所有反应堆研发工作被整合至洛斯阿拉莫斯科学实验室。具有讽刺意味的是，洛斯阿拉莫斯科学实验室的新工作被命名为漫游者，这是前劳伦斯辐射实验室核火箭部门自称的名称(劳伦斯辐射实验室随后被授予负责名为冥王星的核冲压发动机计划 [14])。

随着新的漫游者计划开始实施，建设了核火箭开发站用于支持核火箭测试。该站位于内华达试验场西南角，一个被称为“蠢蛋公寓”的地区。从1958年到1973年，它是美国核火箭推进试验中心。它是一处基础设施的所在地，最终包括3个反应堆试验室或试验台，2座维护、组装和拆卸厂房 [15](一座用于反应堆，另一座用于核发动机),1个技术操作综合体，以及各种辅助建筑。反应堆通过一条铁路在组装及拆卸设施和测试设施之间移动，这条铁路被戏称为“蠢蛋与西部铁路”。几年后，在谈到他为AEC和NASA管理漫游者计划的日子时，哈罗德·芬格直接指出，“蠢蛋公寓是我们进行反应堆和发动机测试的地方，但它既不是对在这里工作的项目人员的描述，也不是以这些人来命名。” [16]

虽然反应堆研究工作最初是在AEC和空军的主持下进行的，但国防任务很快就被民用空间重点计划所取代。到20世纪50年代末，国防部已经放弃了对核动力弹道导弹的进一步研究。核火箭研发工作的责任随后于1958年移交给新组建的NASA。虽然新的航天机构承担了漫游者计划的全部责任，但其涉核工作的责任仍由AEC承担。1960年8月签署谅解备忘录后，联合空间核推进办公室正式成立，两个机构之间的职责分工正式确立。[16]

随着时间的推移，漫游者计划包括了5个主要内容：(1)由洛斯阿拉莫斯科学实验室和洛克达因公司进行的名为Kiwi ⁸的反应堆和燃料开发工作；(2)由喷气飞机公司和西屋公司承担的核发动机开发项目；(3)由洛斯阿拉莫斯科学实验室开发的名为Phoebus ⁹和Pewee ¹⁰的先进反应堆设计；(4)由洛克希德公司负责的反应堆飞行试验项目；(5)由洛斯阿拉莫斯科学实验室执行的核炉燃料测试项目。尽管每个子项目都有不同的目标，但它们都是为实现高功率核热推进系统并证明其可靠性而策划的。然而，根据时任AEC主席格伦·西博格多年后的描述，这样的任务将证明“说起来容易做起来难”：

“……我们必须做的是建造一个可飞行的反应堆，仅比办公桌大一点，它将产生1500 MWt，与胡佛大坝的功率水平相当，并在冷启动后的几分钟内达到这一功率。在其运行的每一分钟，高速泵必须迫使近三吨氢气通过反应堆内温度达到约2204oC的白热燃料元件，这些氢气以液态形式储存在约零下216oC。整个系统必须能够运行数小时，并且能够以极高的可靠性关闭和重新启动。”[17]

Kiwi反应堆地面测试

开发核热推进系统的第一步涉及一系列反应堆试验，被命名为Kiwi，因为这些反应堆只用于地面测试，而不是飞行，所以以这种不会飞的鸟命名。Kiwi试验旨在证明概念的可行性和验证核火箭反应堆基本技术，例如高温燃料和长寿命燃料元件。Kiwi反应堆的设计旨在证明反应堆和燃料的可行性，首先是在100 MWt 的条件下(即Kiwi-A反应堆系列)，然后是在1000 MWt热功率的条件下(即Kiwi-B反应堆系列)。为此，Kiwi系列试验试图建立基本的测试程序，证明高功率密度反应堆可以快速加热推进剂并达到高温，并确定在高工作温度下的材料相互作用。

从1959年7月到1960年10月，对3个Kiwi-A试验反应堆(Kiwi-A,Kiwi-A'[亚A型]和Kiwi-A3)进行了测试。尽管测试发现了反应堆和燃料设计中的一些问题，但问题得到了解决，并证明了100 MWt反应堆设计的可行性。到1960年底，洛斯阿拉莫斯科学实验室还利用Kiwi-A试验期间建立的大部分技术基础完成了第一个Kiwi-B反应堆的设计。此外，NASA已经启动了反应堆飞行试验计划，期待着第一枚核火箭发射的那一天。

在这一进展中，地球轨道上的一次事件很快为新兴的反应堆开发计划带来了额外的动力。1961年4月12日，苏联将尤里·加加林送入了地球上空的轨道，成为有史以来第一位航天员。苏联太空计划的早期成功和迅速扩展并没有被忽视，美国的反应很快就随之而来。1961年5月25日，新当选总统约翰·肯尼迪在国会联席会议上发表讲话。这场演讲以承诺在10年内登月而闻名，其中还包括对漫游者计划的承诺：

“……第二，额外的2300万美元，再加上现有的700万美元，将加快‘漫游者’核火箭的开发。这意味着有一天我们将提供一种更加令人兴奋和雄心勃勃的太空探索手段，也许是在月球之外，也许是太阳系本身的尽头。”[18]

肯尼迪的承诺很快转变为行动。1961年6月，NASA和AEC向西屋公司和喷气飞机公司授予了火箭运载器用核发动机(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, NERVA)计划合同。NERVA的目标是展示一种基于Kiwi-B反应堆设计的核动力火箭并对其开展飞行测试。虽然NERVA指的是整个火箭发动机，包括反应堆和各种推进部件，但总体开发计划仍被称为漫游者。

随着NERVA计划的启动和运行，人们很快又开始关注Kiwi反应堆的测试。在1961年12月至1964年9月期间，为了证明核火箭的可行性，进行了5次Kiwi-B反应堆试验(Kiwi-B1A, Kiwi-B1B,Kiwi -B4A,Kiwi-B4D和Kiwi-B4E)。与Kiwi-A系列一样，测试揭示了反应堆和燃料设计的问题。一个值得注意的案例是1962年11月进行的Kiwi-B4A试验。尽管液态氢启动成功，然而“……随着功率的快速升高，来自喷嘴的闪光频率迅速增加；当达到500 MWt时，闪光如此壮观、如此频繁，以至于试验终止，启动关闭程序。初步拆卸证实，闪光是从喷嘴喷出的反应堆部件；进一步拆卸和分析表明，超过90%的反应堆部件已经损坏，主要是在堆芯热端。”[17]

不幸的是，这次试验产生了另一个意想不到的后果。肯尼迪在视察了试验场后，决定放缓飞行试验活动，直到反应堆故障的原因得到解决，成功完成了后续试验。该计划随后于1963年1月被联合空间核推进办公室搁置，当时该办公室经理哈罗德·芬格坚持在涉核试验恢复前完成冷(非核)流动试验。他坚持认为，在恢复热测试之前，必须彻底了解并纠正问题。

随后的冷试验表明，是氢推进剂以极高流速通过反应堆导致了堆芯剧烈振动，进而导致了燃料元件开裂。在适当修改堆芯设计后，联合空间核推进办公室授权恢复热测试，即恢复了Kiwi-B4D反应堆测试。最后一次Kiwi试验于1964年9月成功完成，即Kiwi-B4E。AEC及其承包商团队在火箭发动机接近满功率水平下运行了2.5分钟，性能与化学火箭相当，证明了1000 MWt核热反应堆的可行性。材料和操作问题不再是一个问题，Kiwi-B的最终设计为后续工作提供了一个基线，可用于NERVA集成核火箭开发。[17]

最后一个Kiwi实验，即Kiwi-TNT，是对Kiwi反应堆进行的蓄意破坏性测试，该反应堆经过修改，可实现快速的、巨大的正反应性——突然爆发超过反应堆设计的功率极限。该试验于1965年进行，旨在了解反应堆在极端事件下会发生什么，并提供有关反应堆堆芯产生能量以及随后堆芯位移期间能量释放的信息，包括裂变产物扩散。尽管在现代监管和安全环境下，此类测试情况极不可能发生，但该测试提供了真实数据，以支持与漫游者飞行计划相关的安全和事故分析。例如，反应堆堆芯温度达到约2160 K，产生的裂变总数接近3.1×1020次。在7600米半径范围内，只回收衡算了约50%的堆芯材料；其余部分可能在空气中燃烧或顺风扩散。最重的碎片是一段重约70千克的压力容器残骸，位于距离反应堆测试位置229米的地方；在更远的位置发现了更小的堆芯碎片。[17]

开发NERVA飞行发动机

尽管Kiwi试验取得了成功，NASA也制订了使用核火箭的设想计划，但在20世纪60年代初，漫游者计划开始成为预算下降和优先事项变化的牺牲品。更重要的是，核火箭飞行计划的成本估算继续上升。因此，计划中的飞行演示在1963年末被取消，这导致NERVA计划定位从特定发动机系统的鉴定转向通用核火箭技术的改进。随后，在1964年年初，开始了一系列满功率反应堆试验，继续推动核火箭概念的发展。

1964年，NERVA计划转向技术改进，重新定义了目标，包括：(1)满功率运行60分钟；(2)在反应堆寿命周期的任何时刻重新启动；(3)演示温度快速升高和降低；(4)仅使用液态氢冷却；(5)在没有外部电源的情况下启动发动机；(6)确定系统运行裕度、极限和可靠性。[17]

参与NERVA计划的主要承包商包括：北美航空公司洛克达因分部(后来成为波音公司的一部分)，负责建造液氢涡轮泵和喷嘴；喷气飞机公司，负责流量控制系统；美国汽车铸造工业公司ERCO分部¹¹，负责制造压力外壳；EG&G公司¹²，负责生产仪器。核反应堆的建造由西屋电气公司空间核实验室负责。[17]

随着计划目标和项目团队的建立，核火箭发动机测试于1964年9月以NERVA核火箭实验(Nuclear Rocket Experimental, NRX)的名义开始。在3年的时间里，进行了4次试验(NRX-A2, NRX-A3,NRX-A5和NRX-A6)。NRX系列试验测试了第一台下射核火箭发动机原型，即XE-Prime。从1968年12月到1969年9月，XE-Prime成功运行了115分钟，并进行了28次单独重启，从而证明了1000 MWt集成核火箭发动机的可行性。

Phoebus,Pewee和核炉

随着人们对太空旅行的愿景再次转向载人火星之旅(NASA内部的长期目标)，一项计划被启动，以开发能够达到5000 MWt级功率的先进反应堆。该计划与NERVA计划并行开展，由洛斯阿拉莫斯科学实验室设计并测试了Phoebus和Pewee反应堆。Phoebus是一个5000 MWt的反应堆原型，于1965年首次测试。到1968年， Phoebus的最终版本(有史以来最高功率的核火箭)以4000 MWt功率运行超过12分钟。[17] Pewee反应堆是一个小型试验床，用于测试全尺寸Phoebus和NRX燃料元件及其他组件，支持可并行开发组件，以减少交付周期和成本。

随着对放射性物质排放的限制开始收紧，建造核炉是为了在不向大气释放放射性物质的情况下进行试验。该炉是一个模块化的44 MWt反应堆，其中堆芯部分可以替换出来进行单独的实验。[17]反应堆通过流出物过滤器可产生氢射流，其中没有可检测到的裂变产物。[19]

国家优先事项变化下的成就与应对

随着漫游者计划在新的十年中转危为安，它很快发现自己面临着一个截然不同的未来。1972年，登月的紧迫性过去了，阿波罗任务也结束了，很明显，载人火星任务不会是下一步。由于国家预算的优先事项不断变化，在1972财年预算中终止了NERVA核火箭的进一步研发。

从1955年到1971年，美国在漫游者和NERVA计划上花费了约35亿美元(按1960年美元计算)[19](相比之下，从1960年到1973年，阿波罗计划花费了194亿美元 [20])。在此期间，开发并测试了17个反应堆、一个核安全反应堆和两台地面实验发动机。固体石墨反应堆/核火箭发动机的可行性已经被明确证实，“……在温度、压力、功率水平和持续时间方面符合当前(指1991年)对推进系统的要求……”该技术的演示验证也达到了某种程度，即“……未来与新的空间探索计划相关的核推进技术开发可在此基础上使性能、可靠性和寿命得到提高。”此外，漫游者计划展示了一种模式，通过该模式，两个政府机构可以有效地管理一个大型技术开发计划。[21]

展望未来

到20世纪80年代中期，太空中的原子能历史的前30年已接近尾声，美国能源部、NASA和其他机构有很多理由庆祝。35台RTG(从2.7 We的小型SNAP-3B装置到157 We的MHW-RTG)已成功发射到太空，为月球实验和行星轨道飞行器提供电力，而其他航天器正在前往太阳系边际。在SNAP计划中，开发和测试了多个放射性同位素电源系统概念，并成功地将一个空间核反应堆电源系统送入地球轨道。在核火箭方面，通过20次不同的反应堆测试，从最初测试100 MWt的Kiwi-A反应堆到4000 MWt的NERVA XE反应堆，已经成功地证明了核热推进的可行性。

在这些技术成就的背景下，人们吸取了为未来发展奠定基础的经验教训。此外，涵盖能源部综合体的整套基础设施已建成，以支持正在进行的空间核系统开发、测试和使用。最重要的是，一个新的技术学科已经被定义，一个行业已经建立，一个基础已经奠定，这将使新一代空间核技术专家能够将空间核动力的火炬传递到未来30年的测试、开发和成就中。

参考信息来源

[1] The University of Chicago reactor was created in 1942 as part of The Manhattan Project under the leadership of physicist Enrico Fermi. Referred to as an atomic “pile,” a code word for an assembly that would become known as a nuclear reactor after World War II, Chicago Pile Number One (CP-1) followed earlier successes involving neutron irradiation, including experiments in nuclear fission by scientists in Nazi Germany. CP-1 is regarded as the first reactor, because it created the world's first self-sustaining nuclear reaction. See “Enrico Fermi and the First Self-Sustaining Nuclear Chain Reaction,” U.S. Department of Energy, DOE R&D Accomplishments. Retrieved from http:// www.osti. gov/accomplishments/fermi.html.

[2] Public Law 585, 79th Congress, “Atomic Energy Act of 1946,” U.S. Atomic Energy Commission, Washington, 1965.

[3] Engler, R., 1987, “Atomic Power in Space: A History,” DOE/NE/32117-H1, U.S. Department of Energy, March 1987.

[4] Launius, R. D., 2008, “Powering Space Exploration: U.S. Space Nuclear Power, Public Perceptions, and Outer Planetary Probes,” Smithsonian Institution, Washington, DC, 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 28 - 30 July 2008, Cleveland, Ohio.

[5] Bennett, G. L., 2006, “Space Nuclear Power: Opening the Final Frontier,” 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC), June 26-29, 2006, San Diego, CA.

[6] Corliss, W. R., and D. G. Harvey, 1964, “Radioisotopic Power Generation,”PrenticeHall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1964.

[7] AEC, 1969, “SNAP Nuclear Space Reactors,” U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information, part of the Understanding the Atom series, March 1969.

[8] Bennett, G. L., and D. Buden, 1983, “Use of Nuclear Reactors in Space,” The Nuclear Engineer, Vol. 24 No. 4, 1983, pp. 108-117.

[9] Cataldo, R. L., and G. L. Bennett, 2010, “U.S. Space Radioisotope Power Systems and Applications: Past, Present and Future,” in Radioisotopes – Applications in Physical Sciences, 2010 (reference can be downloaded from the website at www.intechopen.com/download/pdf/21663 and from the NTRS website).

[10] Bennett, G. L., 2007, “Mission interplanetary: Using radioisotope power to explore the solar system,” Available online December 21, 2007 (Reference can be downloaded from the website for the journal Energy Conversion and Management: www. sciencedirect.com).

[11] Viking Project Information, http://nssdc.gsfc. nasa.gov/planetary/viking.html.

[12] Public Law 93-438, 88 Stat. 1233, “Energy Reorganization Act of 1974,” October 11, 1974.

[13] Bussard, R. W., 1962, “Nuclear Rocketry: The First Bright Hopes,” Astronautics, Vol. 7, No. 12, Dec. 1962, pp. 32-35.

[14] Dewar, J. A., 2004, “To The End of The Solar System: The Story of The Nuclear Rocket,” University Press of Kentucky, Lexington, Kentucky, 2004, p. 21, 28-29.

[15] Gunn, S. V., C. M. Ehresman, and M. J. Zucrow, 2003, “The Space Propulsion Technology Base Established Four Decades Ago for the Thermal Nuclear Rocket is Ready for Current Application,” American Institute of Aeronautics and Astronautics 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE/Joint Propulsion Conference/20-23 July 2003/Huntsville, AL.

[16] Finger, H. B., 2000, “Managing the ROVER/NERVA Program,” presentation at the ANS/ENS International Meeting, November 15, 2000, pbhistoryb1b3.grc.nasa.gov.

[17] Bennett, G. L., H. B. Finger, W. H. Robbins, T. J. Miller, and M. Klein, 1994, “Prelude to the Future: A Brief History of Nuclear Thermal Propulsion in the United States,”in a Critical Review of Space Nuclear Power and Propulsion, 1984-1993, Editor Mohamed S. El-Genk, University of New Mexico Institute For Space Nuclear Power Studies, American Institute of Physics 1994, New York.

[18] Special Message to the Congress on Urgent National Needs, May 25, 1961, http://www. jfklibrary.org/Research/Ready-Reference/JFK-Speeches/Special-Message-to-the-Congress-on-Urgent-National-Needs-May-25-1961.aspx.

[19] Howe, S. D., 2001, “High Energy-Density Propulsion – Reducing The Risk To Humans In Planetary Exploration,” Space Policy 17 (2001), 275–283.

[20] Apollo Program Budget Appropriations, http://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_18-16_Apol -lo_Program_Budget_Appropriations.htm.

[21] Robbins, W. H., and H. B. Finger, 1991, “A Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program,” NASA Contractor Report 187154, AIAA-91-3451, July 1991.

1 电功率单位We=Watts electric，热功率单位Wt=Watts thermal，下标表示区别。——译者注

2 例如SNAP-3A与SNAP-3B隶属同一种放射性同位素系统，但二者之间有一定的设计差异。——译者注

3  指1968年5月18日发射的雨云B-1号气象卫星，其上携带SNAP-19型RTG，但由于故障导致任务中止。——译者注

4  原名埃德温·奥尔德林(Edwin Aldrin),1988年正式改名为巴斯·奥尔德林(Buzz Aldrin)。——译者注

5  TRIAD是三体之意，作为计划或项目代号，本文不进行直译。——译者注

6  能源部(及其前身)和NASA在发展先进热电材料和动态同位素电源系统方面所做的努力将在第三章中进行了描述。——原文注

7  关于漫游者和NERVA计划的详细介绍，请参见詹姆斯·杜瓦尔(James A. Dewar)的《到太阳系的尽头——核火箭的故事》(To the End of the Solar System – The Story of the Nuclear Rocket)。——原文注

8  Kiwi是一种不能飞的“奇异鸟”，作为计划或项目代号，本书不进行直译。——译者注

9  Phoebus是希腊神话中的太阳神“福玻斯”，作为计划或项目代号，本书不进行直译。——译者注

10  Pewee是一种美洲小燕(京燕)，作为计划或项目代号，本书不进行直译。——译者注

11  美国工程研究公司(Engineering and Research Corporation, ERCO)创立于1930年。1954年，ERCO被美国汽车铸造工业公司(American Car & Foundry Industries Inc.,ACF)收购，成为ACF的ERCO分部。——译者注

12  EG&G公司由麻省理工学院的教授Harold Edgerton和该院学生Kenneth Germeshausen和Herbert Grier在波士顿于1931年创建。译者猜测，公司名称采用创始人姓氏首字母大写组成。作为公司代号，本书不进行直译。——译者注