猎户座计划：它的生、死和可能的重生——“猎户座核脉冲飞行器的一部分”

使用原子弹推进的 20,000 吨火星探险 - 到 1970 年，我们本可以将整个城市送到那里 - Michael Flora 的经典网络文章——来自http://www.astronautix.com/p/projectoriossiblerebirth.html

图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Orion_(spacecraft)

通过迈克尔弗洛拉

在 1960 年代的十年间，以阿波罗计划和仍然阴暗的苏联登月计划为形式的登月竞赛主导了载人航天飞行。在美国，水星-双子座-阿波罗计划成功地将大约 60 人送入太空，其中 12 人在月球上。然而，在 1950 年代末和 1960 年代初，美国政府赞助了一个项目，该项目可能将 150 人（其中大多数是专业科学家）送上月球，甚至可以派出探险队前往火星和土星。可以想象，这一壮举可以与阿波罗在同一时期完成，并且可能花费大约相同的金额。该项目的代号是猎户座，在其七年的生命中开发的概念非常好，以至于今天值得认真考虑。

猎户座项目是一种太空飞行器推进系统，依靠在飞行器后方约 200 英尺处爆炸的原子弹 (1)。这个想法看似荒谬，是猎户座失败的原因之一。然而，许多著名的物理学家都在研究这个概念，并相信它可以变得实用。由于原子弹是离散的实体，因此系统必须以脉冲模式而不是连续模式运行。在这方面它类似于汽车发动机，其中的峰值燃烧温度远远超过气缸和活塞的熔点。发动机保持完好无损，因为与燃烧循环周期相比，峰值温度周期很短。

“原子驱动”的想法在 1930 年代是科幻小说中的陈词滥调，但似乎 Stanislaw Ulam 和 Frederick de Hoffman 于 1944 年对用于太空飞行的原子推进进行了第一次认真的调查，当时他们正在研究曼哈顿计划。在二战后的 25 年里，美国原子能委员会（1974 年被能源部取代）与各个联邦机构合作开展了一系列核发动机项目，其名称包括小飞象、猕猴桃和冥王星，最终在 NERVA （用于火箭飞行器应用的核发动机）。接近生产飞行原型的 NERVA 在 1972 年被取消。所有这些发动机背后的基本思想是通过将工作流体泵入核反应堆来加热工作流体，然后让它通过喷嘴膨胀以产生推力。虽然这听起来很简单，但工程问题却是可怕的。这些设计有多好？比较火箭发动机的一个有用数字是比冲 (Isp)，定义为每秒消耗每磅推进剂产生的推力磅数。因此，Isp 的单位是秒。服役中最好的化学火箭，低温氢氧发动机，其 Isp 约为 450 秒。NERVA 的 Isp 大约是其两倍，考虑到核裂变燃料每单位质量的能量是化学燃料的一百万倍以上，这个数字令人惊讶地小。一个主要问题是反应堆在恒定温度下运行，而这个温度必须低于其结构材料的熔点，大约为 3000 K。

在 1940 年代末和 1950 年代提出了许多设计，以绕过温度限制并利用原子弹的巨大威力，据估计，对于中等大小的设备而言，其功率约为 100 亿马力。马丁公司设计了一个带有直径 130 英尺的“燃烧室”的核脉冲火箭发动机。产量低于 0.1 千吨（1 千吨相当于 1000 吨高爆 TNT 的能量）的小型原子弹会以每秒约 1 颗的速度落入该室；水将被注入用作推进剂。这种设计产生了 1150 秒的相对较小的 Isp，并且可以为车辆产生 26,000 英尺/秒的最大速度变化。该飞行器将被化学火箭提升到 150 英里的高度，因此提供的额外 8000 英尺/秒左右的速度将使其能够逃脱地球的重力 。劳伦斯利弗莫尔实验室大约在同一时间生产了一种类似但更小得多的设计，称为 Helios 。

在 1955 年的机密论文中，Stanislaw Ulam 和 Cornelius Everett 完全消除了燃烧室。取而代之的是，炸弹将从车辆中向后弹出，然后是固体推进剂盘。爆炸会使圆盘蒸发，产生的等离子体会撞击推板。该系统的优点是不会试图限制爆炸，这意味着可以使用相对高当量（因此是高功率）的炸弹。这样的系统既不受温度限制，也不受功率限制。Ulam 可能受到在 Eniwetok 试验场进行的实验的影响，在那里，石墨覆盖的钢球悬挂在距离原子爆炸中心 30 英尺的地方。后来发现这些球体完好无损。一层薄薄的石墨已经从它们的表面被烧蚀了。

猎户座计划于 1958 年在圣地亚哥的通用原子公司诞生。该公司现在是国防巨头通用动力公司的子公司，由弗雷德里克·德霍夫曼创立，旨在开发商业核反应堆。Orion 背后的驱动力是 Theodore Taylor，他是洛斯阿拉莫斯武器计划的资深人士。德霍夫曼说服当时在新泽西州普林斯顿高等研究院工作的理论物理学家弗里曼戴森在 1958-1959 学年来到圣地亚哥研究猎户座。戴森说，泰勒为该项目采用了一种特定的管理模式：Verein fur Raumschiffahrt (VfR)，这是 1920 年代和 1930 年代的德国火箭协会，其成员包括 Werner von Braun。VfR 几乎没有结构：没有官僚机构，其成员之间基本上没有分工；它在被德国军队接管之前取得了很大成就。Orion 起初是相似的：科学家进行了实际工程，工程师建立了工作比例模型，所有这些都在极少的预算内 。

泰勒在洛斯阿拉莫斯的专长是原子武器的影响。他是制造小型炸弹的专家，当时人们正朝着越来越大的超级武器发展。他还知道塑造爆炸的技术，使炸弹碎片向一个特定方向喷射。泰勒采用了乌拉姆的推板理念，但他将推进剂和炸弹组合成一个脉冲单元，而不是推进剂盘。选择的推进剂材料是塑料，可能是聚乙烯。塑料擅长吸收原子爆炸释放的中子（即它与即时辐射能很好地耦合），此外，它会分解成轻质原子，如氢和碳，这些原子在搅拌时会高速移动。有迹象表明，氢弹内部使用了一种类似于聚苯乙烯泡沫塑料的塑料，以“ 正如泰勒和戴森所见，推板设计的优势在于它可以同时产生高推力和高排气速度。没有其他已知的推进系统将这两个非常理想的特征结合在一起。理论上，有效的 Isp 可能高达 10,000 到 100 万秒。施加在推板上的计算力是巨大的；它会给载人车辆带来无法忍受的加速度。因此，在板和车辆本身之间放置了一个减震器系统。传递到板的脉冲能量存储在减震器中并逐渐释放到车辆。

Orion 的工作人员建造了一系列模型，称为 Put-Puts 或 Hot Rods，以测试由铝制成的推板是否能够承受化学炸药产生的瞬间高温和压力。几个模型被摧毁，但 1959 年 11 月的一次 100 米飞行，由六次装药推进，成功并证明了脉冲飞行可以稳定。这些实验还证明，板的中间部分应该很厚，并向边缘逐渐变细，以实现最大的强度和最小的重量 。

板的耐用性是一个主要问题。即使爆炸发生在距板块数百英尺的地方，每次爆炸的膨胀等离子气泡的温度也可能达到数万开尔文。在 Eniwetok 测试的引导下，设计了一种方案，在两次喷砂之间将油脂（可能是石墨基）喷到板上。不知道该方案是否保留在后来的猎户座设计版本中。使用爆炸驱动的氦等离子体发生器对板腐蚀进行了大量工作。实验者发现，在每次爆炸过程中，该板仅会暴露在极端温度下大约一毫秒，并且烧蚀只会发生在该板的薄表面层内。高温的持续时间很短，以至于很少有热量流入板中；主动冷却显然被认为是不必要的。实验者得出结论，铝或钢都足够耐用，可以用作板材。

Orion 的工作人员很早就意识到，如果该项目有任何机会超越修补阶段，就必须参与其中。因此，1958 年 4 月与高级研究计划局（ARPA - 后来的 DARPA，“D”代表“国防”）接洽。7 月，它同意以每年 100 万美元的初始资金水平赞助该项目；正是在这个时候，猎户座的代号被指定。根据 ARPA 指令 6，任务 3，题为“核脉冲推进航天器研究”的工作进行。

泰勒和戴森确信，美国宇航局（1958 年 1 月刚刚创建）追求的太空飞行方法是错误的。在他们看来，冯·布劳恩的化学火箭非常昂贵，有效载荷非常有限，而且对于飞越月球基本上毫无用处。猎户座的工作人员想要一艘简单、坚固、宽敞、最重要的是负担得起的宇宙飞船。泰勒最初呼吁进行地面发射，可能来自内华达州公驴平原的美国核试验场。该车辆被描述为看起来像一个主教的斜接或子弹的尖端，有 16 层高，带有一个直径 135 英尺的推板 。直观上看，推板越大，系统的执行效率就越高。有关核脉冲火箭有效比冲公式的推导以及推板直径、脉冲能量和 Isp 之间的关系，读者应咨询 Reynolds。发射台将由八座塔组成，每座高 250 英尺。起飞时车辆的质量约为 10,000 吨；大部分质量将进入轨道。起飞时弹射的炸弹单元将产生 0.1 公斤；最初的弹射率是每秒一个。随着车辆加速，速度会减慢，当量会增加，直到每 10 秒发射 20 千吨炸弹 。这个想法似乎是让飞行器直线飞行，直到它清除大气层，以尽量减少放射性污染。读者应该咨询 Reynolds。

就在美国正努力将一个人乘坐改装后的军用火箭送入轨道时，泰勒和戴森正在制定一项载人探索太阳系大部分地区的计划。最初的猎户座设计需要 2000 个脉冲单位，远远超过地球逃逸速度。“我们的座右铭是‘1965 年火星，1970 年土星’”，30 岁的戴森回忆道。猎户座更像是科幻小说中的火箭飞船，而不是加加林和格伦的狭小太空舱。一百五十人可以在船上相对舒适地生活；有用的有效载荷将以千吨为单位（31）。猎户座本来可以像战舰一样建造，不需要化学推进航天器采取的令人痛苦的减重措施。目前尚不清楚车辆将如何着陆；可以合理地假设专门的化学动力飞行器将用于探索。泰勒可能已经预料到可以使用传统的航天飞机型运载工具来运送人员往返轨道。Dyson 给出了惊人的数字，即每年 1 亿美元作为提议的十二年计划的成本 (32)；当然，这不包括此类计划所需的从宇航服到科学仪器的数千件物品的开发成本。猎户座计划很可能会“搭载”军事武器计划和现有的民用太空项目。尽管如此，即使戴森将成本低估了 20 倍，修正后的总额也只有 240 亿美元，

然而，时代在变。初出茅庐的太空管理局开始收购联邦政府运营的所有面向民用的太空项目；空军获得了所有具有军事用途的项目。ARPA 将猎户座作为其唯一的太空项目，有两个原因。空军认为猎户座作为武器没有价值，美国宇航局在 1959 年做出了一项战略决定，即民用太空计划在不久的将来将是无核的 。NASA 过去和现在都是一个非常注重宣传的组织，很难克服公众对任何类型的原子设备的负面看法。此外，美国宇航局充满了工程师，他们的职业生涯都在建造更大的化学火箭，他们要么不理解，要么公开反对核飞行。

1959 年末发生了一场危机，当时 ARPA 以国家安全为由决定不再支持 Orion。泰勒别无选择，只能向空军寻求资金。这是一个艰难的销售。军方和文职官员的共同反应是：“……你引爆了一颗大炸弹，整个炮弹爆炸了。” 空军最终决定与猎户座作战，但只是在条件是找到它的军事用途。戴森说，他的空军联系人虽然对太空探索的目标表示同情，但觉得他们的手被束缚了。管理层变更的一个直接结果是停止了所有模型飞行测试。随心所欲的时代结束了；泰勒的“好心人”公司探索太阳系的梦想破灭了。

可以想象，猎户座可以用作武器平台，在极地轨道上，这样它最终会经过地球表面的每一个点。它还可以轻松保护自己，至少可以抵御少量导弹的攻击。然而，这种想法与早期的携带炸弹的卫星提议具有相同的缺点。由于尚未开发出精确操纵导弹弹头的技术，终端制导将是一个问题（假设硬化的高价值装置是预期目标）。美国和苏联都部署了能够在 15 分钟内达到目标的导弹，这些导弹配备了百万吨级弹头，使得轨道炸弹平台变得无关紧要。

肯尼迪政府的国防部长罗伯特麦克纳马拉意识到猎户座不是军事资产。他的部门一直拒绝为该项目增加任何资金，实际上将其限制在可行性研究中。泰勒和戴森知道，如果要建造可飞行的交通工具，就必须找到另一个资金来源。NASA 是唯一剩下的选择。因此，Taylor 和 James Nance，General Atomics 的一名员工，后来成为该项目的主管，至少两次前往阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 。MSFC 是冯布劳恩的领地，也是 NASA 大部分太空推进研究和开发的地方。冯布劳恩在土星项目上努力工作，该项目是美国宇航局从旧的陆军弹道导弹局继承的。土星五号最终将人类送上月球。猎户座工作人员生产了一种新的“第一代”设计，该设计放弃了地面发射，而是作为土星五号上级被推进轨道。车辆的核心是一个 200,000 磅的“推进模块”，其推板直径为 33 英尺，受土星直径的限制。这种设计限制也将 Isp 限制在 1800 到 2500 秒 。虽然以核脉冲标准来看，这个数字低得令人失望，但仍然远远超过其他核火箭设计。减震器系统有两个部分：一个由位于推板正后方的环形充气袋组成的主单元，

将这辆车送入轨道需要多少土星五号？戴森说一两个；对已发布图纸的简单检查表明，如果机组模块（有机组人员）打算单独飞行，则至少有两个，可能三个。在这种情况下，一些组装将在轨道上完成。考虑了几个任务概况；最详细开发的似乎是火星飞行。八名宇航员，带着大约 100 吨的设备和补给，本可以在 125 天内往返火星 ；大多数现代计划要求至少九个月的单程时间。另一个令人印象深刻的数字是，在地球轨道上多达 45% 的车辆总重量可能是有效载荷 。据推测，这次飞行是在火星离地球最近的时候进行的；仍然，可用的能量如此之多，以至于几乎可以选择行星之间最快的路径。对图纸的检查表明，可能还携带了一个着陆器。

费用呢？Pedersen 1964 年对该项目的估计为 15 亿美元 ，这表明核脉冲宇宙飞船具有优越的经济性。戴森认为猎户座的吸引力被化学助推器限制大大削弱：土星将占总成本的 50% 以上。

冯布劳恩成为了猎户座的热心支持者，但他在更高级别的政府官员中几乎没有取得进展。除了禁止核电的一般禁令之外，还提出了非常实际的反对意见：如果土星上装有推进模块和数百枚炸弹的土星发生爆炸怎么办？能保证一颗炸弹都不会爆炸甚至破裂吗？NASA 对公共关系灾难的恐惧是可以理解的，这导致其不愿提供资金 ；然而，其载人航天办公室有足够的兴趣资助另一项研究。

1963 年 8 月，随着美国、英国和苏联猎户座签署禁止核试验条约，实施了锤击，现在根据国际法是非法的。然而，该项目并没有立即死亡。仍然有可能对明显和平的计划给予豁免。当然，该条约进一步减少了猎户座的政治资本。另一个问题是，由于猎户座是一个机密项目，工程和科学界很少有人知道它的存在。为了纠正这一点，南斯（现在管理该项目）游说空军至少解密已完成工作的大致轮廓。最终它同意了，南斯在 1964 年 10 月发表了对“第一代”车辆的简要描述 。

与此同时，空军对美国宇航局的临时安排已经不耐烦了。它愿意成为合作伙伴，但前提是 NASA 会提供大量资金。迫于阿波罗的要求，美国宇航局于 1964 年 12 月做出决定，并于次月公开宣布：不会提供任何资金。空军随后宣布终止所有资助，猎户座悄然离世。近七年花费了大约 1100 万美元。

被月球竞赛所掩盖的猎户座几乎被除弗里曼戴森和西奥多泰勒之外的所有人所遗忘。尤其是戴森，他的经历似乎深深地影响了他。猎户座的故事很重要，他说，“......因为这是现代历史上第一次人类技术的重大扩张因政治原因而受到压制”。他 1968 年的论文 (53) 给出了核脉冲驱动的更多物理细节，甚至提出了由聚变爆炸驱动的超大型星际飞船。最终，他对这个概念失望了，主要是因为与早期地面发射想法相关的辐射危害。

甚至考虑恢复核脉冲概念是否有意义？从经济角度来说，答案是肯定的。Pedersen 说 10,000 吨载重 10,000 吨的宇宙飞船是可行的。与类似航天飞机的飞行器相比，这样的宇宙飞船可能相对便宜，因为它们的结构很重。人们往往会想到用起重机将厚板放置到位的造船厂。脉冲单元的成本是多少？Pedersen 给出了马丁早期设计的每件 10,000 至 40,000 美元的惊人低数字；有理由认为 100 万美元是上限 。主要从材料强度考虑，Dyson 认为 30 米/秒（约 100 英尺/秒）是可以从单个脉冲获得的最大速度增量。鉴于低空轨道速度约为 26,000 英尺/秒，大约需要 350 个脉冲。使用 500,000 美元作为合理的脉冲单位成本，这意味着“燃料成本”为 1.75 亿美元，比航天飞机发射便宜。航天飞机可能携带三十吨有效载荷，而脉冲飞行器将携带数千吨。如果一个极端的例子是花费 50 亿美元建造一辆将 10,000 吨（或 2000 万磅）运载到轨道的飞行器，如果分散在一次飞行中，成本为每磅 250 美元，远低于公认的 5,000 至 6,000 美元的数字每磅穿梭航班。航天飞机可能携带三十吨有效载荷，而脉冲飞行器将携带数千吨。如果一个极端的例子是花费 50 亿美元建造一辆将 10,000 吨（或 2000 万磅）运载到轨道的飞行器，如果分散在一次飞行中，成本为每磅 250 美元，远低于公认的 5,000 至 6,000 美元的数字每磅穿梭航班。航天飞机可能携带三十吨有效载荷，而脉冲飞行器将携带数千吨。如果一个极端的例子是花费 50 亿美元建造一辆将 10,000 吨（或 2000 万磅）运载到轨道的飞行器，如果分散在一次飞行中，成本为每磅 250 美元，远低于公认的 5,000 至 6,000 美元的数字每磅穿梭航班。

可以通过改进脉冲单元的设计来提高效率。过去三十年来，核弹设计取得了长足的进步。例如，中子弹表明可以改变爆炸所释放能量的形式。最近关于 X 射线激光器的工作涉及将爆炸塑造成光束的重要问题。然而，要防止放射性裂变碎片的形成是不可能的。对于地面发射，选择一个非常偏远的地点，例如位于大西洋南部或太平洋极端的浮动平台，可以最大限度地减少对人类的辐射危害。当有如此丰富的能量可用时，尽可能靠近赤道发射的化学火箭的必要性就消失了。不过，即使这样也可能被认为在环境上是不可接受的；也许任何向大气中释放辐射都是错误的。在这种情况下，太空发射的选择仍然开放。即使这样也受到批评，理由是它会在太空中留下放射性碎片痕迹。然而，行星际空间一开始就是一个非常危险的环境，它会周期性地充满来自太阳耀斑的快速带电粒子，并且偶尔会爆发出极高能的宇宙射线。大多数碎片的速度将超过太阳逃逸速度这一事实挑战了炸弹碎片会形成轨迹的概念。

尽管土星五号已不复存在，但美国工程师目前正在研究几种重型系统。鉴于最近世界紧张局势有所缓解，甚至可以考虑俄罗斯能源公司。冷战后失业的俄罗斯核科学家可能会与美国人合作开展核脉冲太空项目。以合理的费用，可以在十年或更短的时间内完成飞往行星的快速飞行，而不是三十到五十年。

不幸的是，猎户座概念本质上是“肮脏的”，因为它使用裂变燃料。它也是低效的；这是可以接受的，因为有大量的可用能源。一个更好的选择是聚变，因为聚变火箭不会留下重放射性离子的尾迹。英国星际学会的代达罗斯项目是对无人星际探测器的研究。它是由在磁性“燃烧室”中以高达 250 赫兹的脉冲频率用电子束照射燃料芯块引起的聚变“微爆炸”驱动的。用磁场限制和塑造等离子体将使代达罗斯比猎户座更有效。代达罗斯在太阳系和恒星之间一样有效，可以想象，在 75 到 100 年后，聚变货船将定期在行星之间航行。重要的一点是，目前还没有人用电子束或其他任何东西产生受控的聚变能，而建造猎户座型宇宙飞船所需的技术已经存在了三十多年。核推进最终将进入太空。猎户座可能是使人类占领和经济开发太阳系成为可能的装置。

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