Maciej Cegłowski：每盎司带来更多弹性

背景

1957 年苏联成功发射 Sputnik 卫星，引发美国对太空竞赛的恐慌。在核武器设计领域积累深厚经验的洛斯阿拉莫斯实验室，数学家 Stanisław Ulam 早在 1940 年代就构想出一种利用核爆炸推进的航天器。1958 年，Freeman Dyson 和被誉为“美国核武器设计届伦勃朗”的 Ted Taylor 在通用原子公司（General Atomic）将这一想法具体化，并获得了有限的资金支持。这就是后来被称为“猎户座计划”（Project Orion）的核脉冲火箭方案。然而，尽管其在理论上极具吸引力，始终没有决策者愿意真正承担风险去建造它。项目在 1959 年用常规炸药进行了缩比模型测试，并一度接近进行真正的原子试验，但资金和运气在 1964 年耗尽，最终搁浅。

核心内容

核脉冲火箭的概念简单、粗暴且充满想象力——如果你让一个 12 岁的孩子设计去木星的火箭，他大概会给出这样的方案：火箭尾部以大约每秒一枚的频率连续抛出核弹，就像放屁一样，然后利用爆炸产生的冲击波，通过一个巨大的减震器“弹跳”前进，如同踩着一根弹簧高跷。数百乃至数千次核爆炸将航天器加速到任意所需速度；需要减速时，只需掉头向前方扔核弹即可。

这种火箭的性能极为惊人。传统火箭工程师始终被迫在推力和比冲（效率）之间做两难选择：化学火箭（如土星五号或星舰）推力足够大，但效率低得可怜；而用于探测器和卫星的高效离子推进器，推力只有几盎司。这就像永远只能选择电动三轮车或顶级燃油直线加速赛车，中间没有任何余地。核脉冲火箭就像一辆“埃尔卡米诺”皮卡（美国经典车型，兼具轿车和皮卡特征）冒着滚滚黑烟，填补了这片空白。核燃料的能量密度极高，使其“每颗蘑菇云的里程”不可思议，而推力仅受航天器结构在解体前能承受的极限限制。阿波罗火箭的级段数为 6，质量比约为 540:1（每返回地球 1 公斤宇航员或航天器，发射台上需要超过半吨的满燃料火箭）；而核脉冲火箭的质量比接近 1.5。它可以从地球起飞，将 4,000 吨科学家和设备送上火星，然后完整返回地球加油，并可重复使用任意多次。

这样的质量预算，正是火星任务规划者口中的“充裕”。作为参考，国际空间站（ISS）作为人类在太空中组装的最大物体，重约 400 吨。核脉冲推进意味着无需再为生命维持和辐射防护发愁。你可以为乘员储备足够的氧气和冷冻牛排，用防辐射塑料包裹整个飞船，再在顶部装一个玻璃穹顶旋转赌场以便观景，即便如此，仍有空间装载所需引爆的数千枚裂变炸弹（像可乐罐一样分发）。这样的火箭上，宇航员能以舒适且时尚的方式前往火星，抵达时精神焕发。

更进一步，他们甚至可以舒适地抵达土星。1958 年的一项早期设计设想，在三年内将 20 人送到土卫二（Enceladus）并返回，耗时约等于传统化学火箭执行宇航员往返火星任务的时间。而且，这艘飞船完全可重复使用，仅需一次从地球发射即可完成。

简而言之，核脉冲火箭解决了困扰化学火箭的所有问题——尽管代价是引入了更庞大、更可怕的新问题。

以下是核脉冲火箭能够实现的一些代表性任务：

• 在月球软着陆 5,700 吨载荷（阿波罗仅为 17 吨）。
• 将 1,300 吨有效载荷（是国际空间站质量的三倍）送上土卫二，并在三年内往返返回地球。
• 派遣 20 人乘组前往木卫四（Callisto）或木卫二（Europa），进行两年往返，并有足够的屏蔽使宇航员能幸存于木卫二的环境。
• 派遣 50 人乘组前往火星，进行 200 天往返，并在火星表面停留 30 天。
• 将 10,000 吨货物送入中地球轨道。

与其他任何航天器不同，核脉冲火箭唯一的尺寸限制是它不能太小。一个实用的核脉冲火箭——仅打上“实用”这个形容词就让人心跳加速——重约 4,000 吨，相当于一座体面的公寓楼。但如果你建造一艘游轮大小甚至城市大小的火箭，性能会更好。

工作原理

1958 年设想的核脉冲火箭是一个 4,000 吨的庞然大物，外观像一颗卡通子弹，通过一片减震器森林连接到一个宽阔平坦的推进板（pusher plate）上。推进板是一个扁平金属圆盘，质量约为飞船主体的 1/6。可以把它想象成一台大型二冲程发动机的活塞。

完整的推进循环如下：

1. 一枚小型（0.1-3 千吨当量）核弹在推进板后方约 100 米处引爆。爆炸蒸发掉一个推进剂圆盘（可以是冰、金属，甚至是乘员储存的废物），以每秒数千公里的速度将等离子体射向推进板。
2. 等离子体云撞击推进