核火箭

航天设备

核火箭的发动机利用核反应或放射性物质衰变释放出的能量加热工作介质，工作介质通过喷管高速排出，产生推力，使宇宙飞船高速飞行。当前比冲最高的化学火箭发动机是液氢液氧火箭发动机，其最高比冲约为450s，已有技术条件下三级火箭所能达到的最高质量数约为10，且基本上已达极限，因此化学火箭的最高速度增量约为10km/s。采用氢气作为工质的核热火箭比冲可达1000s以上，其速度增量大于22km/s，超过了第三宇宙速度(16.7km/s) 可广泛用于将来的空间任务，包括太阳系内的空间任务和星际间的空间任务。

基本概念

迄今为止，人类在探索宇宙的过程中已取得了巨大的成绩，但要用传统的化学火箭进一步探索宇宙，却由于化学火箭自身的限制而渐显乏力。火箭飞行速度增量可由著名的齐奥尔科夫斯基公式计算：

式中Isp为比冲，s；Mi/Mf为火箭质量数；Mf为最终质量；Mi为初始质量。

核火箭的设想最早由美国核科学家乌拉姆提出，利用核聚变使一颗颗小型氢弹在飞船尾部相继爆炸而产生推力。若每颗原子弹的爆炸当量为1000吨TNT，估计爆炸50颗原子弹后飞船速度可达12千米/秒。20世纪50年代末，美国核科学家泰勒提出了类似的“猎户座”计划，每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT（在大气层外），爆炸50颗后飞船的最大速度可达70千米/秒。

原理

根据核能释放方式的不同，核火箭可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。所谓核裂变是在一定条件下，原子核发生分裂，同时释放出大量的能量。所谓核聚变是在一定条件下，较轻的原子核会聚合成新的较重的原子核，同时释放出大量的能量。

1968年，曾参加过“猎户座”计划的科学家戴森首次提出利用核聚变推进的恒星际航行方案，飞船总质量为3000万吨，携带3000万颗氢弹。经过连续脉冲爆炸可在10年内将飞船加速到300千米/秒。

1970年，美国内华达大学温特伯格提出了用高能电子束引发核聚变。他设计的发动机每次核聚变可释放出约100亿焦的能量，可实现 300千米/秒的高速航行。

核火箭有核裂变火箭和核聚变火箭两大类。利用核聚变反应产生的能量作能源的火箭，叫核聚变火箭。由于受控核聚变反应还在研究中，在过去的五十多年以及未来的二、三十年内人类能利用的核火箭是由核裂变反应提供能量的核裂变火箭。核裂变火箭又可分为核热火箭、核电火箭、混合核热/核电火箭、核裂变碎片火箭、核脉冲火箭、核冲压火箭等。

核热火箭

核热火箭是利用核裂变的热能将工质加热到很高的温度，然后通过收缩扩张喷管加速到超音流而产生推力的火箭发动机系统。其工作原理与液体火箭发动机相似，所不同的是核热火箭用核反应堆取代了液体火箭中的化学燃烧。如《核热火箭结构示意图》所示：

《核热火箭结构示意图》中，工质氢流经反应堆后被加热，再经收缩扩张喷管高速喷出。反应堆的控制棒用来对反应堆内中子流进行控制，当控制棒插入时，中子流减少；当控制棒抽出时，中子流增加。而自持链式裂变反应的实现取决于裂变产生的中子数与非裂变吸收及泄漏所消失的中子数之间的平衡。通常用有效增值系数 Keff（反应堆内某一代中子数与上一代中子数的比值）来反映。当 Keff=1时，称为临界状态，即反应堆处于不同功率下稳定运行的工况；当 Keff>1时，称为超临界状态，相当于启动或升功率的过程；当 Keff<1时，称为次临界状态，相当于停堆或降功率的过程。

核热火箭具有推力大、比冲高、可多次启动等优点。一般由反应堆、贮箱及涡轮泵系统、管路与冷却系统以及喷管组件构成，反应堆的结构形式为高温气冷堆，包括燃料组件、支撑结构、慢化剂、控制棒或控制鼓、反射剂以及压力舱。

核热火箭通常采用氢气作为工质兼冷却剂。氢气具有优良的导热性能，在高温低压状态下容易离解为原子氢，并吸收大量的热量，其导热性能可与金属材料相媲美，是最好的冷却介质之一，同时由于其分子量小而成为最优良的工质。

核热火箭又可分为固体堆芯、液体堆芯、气体堆芯以及液氧增强型核热火箭。固体堆芯核热火箭是指其反应堆为固体可裂变物质；液体堆芯核热火箭是指其反应堆为液体可裂变物质；气体核热火箭是指其反应堆为气体可裂变物质。

液氧增强核热火箭 LANTR 以独特的方式将常规液氢冷却核热火箭的高性能进行了进一步拓展。LANTR 使用喷管的大扩张段作为加力燃烧室，在这里喷入氧气，与来自发动机喉部被核反应堆加热的氢进行超音速燃烧。在保持反应堆功率基本不变的情况下，通过调整氢氧混合比率LANTR 可以达到较大范围的推力和等效比冲值。LANTR 的推力增强特性意味着使用更小型、更经济、更容易测试的 NTR 发动机可以获得“大发动机”的性能。

核电火箭

核电火箭是将核反应堆裂变能首先转换为电能，为电火箭供电，然后由电火箭产生推力的推进系统。美国和俄罗斯也在开发推进与发电两用的空间核反应堆动力系统。

混合核热与核电火箭

这种火箭首先利用核热火箭的高推重比使火箭脱离星球引力，同时也可减少火箭的飞行时间。然后转为核电推进，再利用核电火箭的低推重比、高比冲在行星间飞行。该系统的电动力可以通过核热转换，同位素转换或机械方式（涡轮发电）等将反应堆的裂变能转换成电能。

核裂变碎片火箭

核裂变碎片火箭是在核裂变过程中，产生的能量碎片从核反应堆高速逃逸，从而产生推力。当原子裂变时，所产生的“分裂碎片”速率达到光速的 3%，即约每秒 9 千公里。美国劳伦斯· 利弗莫尔国家实验室的乔治· 哈普林等人设计了一种概念型的“分裂碎片”反应堆，可以控制这些高速粒子。该反应堆类似于围绕一圆柱形塔旋转的一叠“唱片”，每张“唱片”主要由石墨构成，石墨上覆盖着钚或镅等放射性燃料。当这些燃料旋转进入圆柱形塔时，与塔中的放射性物质产生可控链式裂变反应。而施加于反应堆上的强大磁场将“分裂碎片”束缚在一起向一个方向喷射使火箭的速率能提高到约每秒 1.8 万公里，也就是光速的 6%。

核脉冲火箭

是指利用核弹爆炸来产生推力。核脉冲火箭将携带大量的低当量原子弹，一颗颗地抛在身后，然后引爆，火箭后面安装一个推进盘，吸收爆炸的冲击波推动火箭前进。

核冲压火箭

为核热火箭设计合适的进气道和排气道，利用环境大气作工质以取代通过管路从贮箱供给的推进剂，那么核热火箭就成了核冲压火箭。

核火箭的研制

美国科学家詹姆斯·鲍威尔和乔治·梅兹宣称。在10年内将开发出用于未来宇宙航行的探险飞船用的核发动机。美国马歇尔太空飞行中心太空运输研究室负责人约翰·科尔认为有许多美国科学家对核火箭的研制饶有兴趣。核火箭无疑是未来飞行器的发展方向，也是解决宇宙航行动力问题的发展方向之一。

显然，核火箭存在着很大的隐患。特别是核辐射对航天员健康可能造成威胁。因为核火箭飞船内的辐射量相当于航天员每天要做8次X线胸部透视，较长时间的作用会对航天员的身体造成严重的伤害。航天员返回地面后，肌肉量一般会减少30%，骨密度会下降。

核火箭发动机

核火箭发动机用核燃料作能源，用液氢、液氦、液氨等作工质。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中，核能转变成热能以加热工质，被加热的工质经喷管膨胀加速后，以6500～11000米/秒的速度从喷口排出而产生推力。核火箭发动机的比冲高（250～1000秒）寿命长，但技术复杂，只适用于长期工作的航天器。这种发动机由于核辐射防护、排气污染、反应堆控制，以及高效热能交换器的设计等问题未能解决，仍处于试验之中。

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