核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)類型01利用方式推進(jìn)飛船發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究核聚變目錄030502040607主要思路規(guī)避方案前景計(jì)劃目錄0908010011運(yùn)轉(zhuǎn)場景比沖量外形目錄013012基本信息說到未來的宇航動(dòng)力，人們恐怕首先會(huì)想到核動(dòng)力，化學(xué)燃料的火箭推力太小，所以每次發(fā)射必須尋找合適的發(fā)射窗口，以便利用行星的引力來加速，使得它們能真正飛往宇宙深處，人類發(fā)射的所有深空探測器沒有一個(gè)不利用行星的引力。這自然是個(gè)聰明的辦法，但是畢竟只是無奈的變通方式，很消耗時(shí)間，而且受到的航線限制太多。安裝核動(dòng)力的飛船和探測器由于推力強(qiáng)大，就不必利用行星的引力，更不必在航線的限制上操心過多。利用方式利用方式對(duì)于核動(dòng)力的利用方式有3種：反應(yīng)鏈1、利用核反應(yīng)堆的熱能2、直接利用來自反應(yīng)堆的高能粒子3、利用核彈爆炸核動(dòng)力航空母艦和核潛艇都是利用核裂變反應(yīng)堆的動(dòng)力來推動(dòng)螺旋槳，只不過太空沒有水或者空氣這種介質(zhì)，不能采用螺旋槳而必須利用噴氣的方式。但方法仍很簡單，反應(yīng)堆中核子的裂變或者聚變產(chǎn)生大量熱能，將推進(jìn)劑(很可能采用液態(tài)氫)注入，推進(jìn)劑會(huì)受熱迅速膨脹，然后從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部高速噴出，產(chǎn)生推力。其結(jié)構(gòu)如圖《反應(yīng)鏈》所示，推進(jìn)劑從左側(cè)注入，中間加熱，右側(cè)噴出。其中，利用反應(yīng)堆的熱量是最簡單也是最明顯的方式。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)而這具體又分多種類型，其中核裂變發(fā)動(dòng)機(jī)分以下4種類型：1:固體核心核發(fā)動(dòng)機(jī)：在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)劑受固體燃料核心加熱，估計(jì)比沖量能達(dá)到大約800秒；2:粒子床(ParticleBed)核發(fā)動(dòng)機(jī)：在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)中，液體推進(jìn)劑被泵入核燃料里面，這種方式能達(dá)到很高的熱量，使得比沖量能達(dá)到大約1,000秒，推重比超過1；3:液體核心核發(fā)動(dòng)機(jī)：這個(gè)辦法是使用液態(tài)的核裂變?nèi)剂?，由于不必操心裂變物質(zhì)的熔點(diǎn)，所以能達(dá)到更高溫度從而獲得更大的優(yōu)勢，比沖量能達(dá)到大約1,500秒，推重比超過1；4:氣體核心核發(fā)動(dòng)機(jī)：這種情況下不用再操心裂變物質(zhì)的蒸發(fā)，在這個(gè)系統(tǒng)中推進(jìn)劑流經(jīng)等離子態(tài)的裂變物質(zhì)，從而達(dá)到最高的可能溫度，安裝一個(gè)冷卻系統(tǒng)后，比沖量能夠達(dá)到7,000秒。推進(jìn)推進(jìn)核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)利用反應(yīng)堆的熱量這種辦法雖然節(jié)省了燃料，但必須攜帶許多液體推進(jìn)劑，結(jié)果許多節(jié)省的重量都被消耗掉了，獲得的好處沒剩多少。由于核反應(yīng)的時(shí)候能夠產(chǎn)生許多高能粒子，所以第二種方式就是直接利用來自反應(yīng)堆的粒子，從而不必?cái)y帶推進(jìn)劑。這些高能粒子移動(dòng)速度非常快，當(dāng)初用反應(yīng)堆加熱推進(jìn)劑就是為了讓推進(jìn)劑的熱運(yùn)動(dòng)速度增大從而獲得推力，而這里已經(jīng)有了這樣的高速運(yùn)動(dòng)物質(zhì)。而且這些高能粒子是離子態(tài)的，從而可以使用磁場來控制它們的噴射方向。事實(shí)上，這種磁場控制方式已經(jīng)在后邊要介紹的離子發(fā)動(dòng)機(jī)上使用了。利用這種方式，可以達(dá)到極高的比沖量——1百萬秒。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供高推力使飛船或者探測器完成行星際任務(wù)，甚至進(jìn)行恒星際飛行。不過，這種發(fā)動(dòng)機(jī)可不象前面介紹的那些那么容易制造，而且可能非常昂貴，有可能需要一個(gè)很大很重的反應(yīng)裝置，或者一個(gè)利用多階段反應(yīng)(后一個(gè)階段利用前一階段產(chǎn)物)的小一些的反應(yīng)裝置。第三種方式是一個(gè)大膽而瘋狂的方式，不再是利用受控的核反應(yīng)，而是利用核爆炸來推動(dòng)飛船，這已經(jīng)不是一種發(fā)動(dòng)機(jī)了，它被稱為核脈沖火箭(nuclearpulserocket)。這種飛船將攜帶大量的低當(dāng)量原子彈，一顆顆地拋在身后，然后引爆，飛船后面安裝一個(gè)推進(jìn)盤，吸收爆炸的沖擊波推動(dòng)飛船前進(jìn)。相關(guān)研究相關(guān)研究核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)事實(shí)上，美國科學(xué)家已經(jīng)圍繞這個(gè)計(jì)劃做了許多實(shí)驗(yàn)，而且已經(jīng)證明這個(gè)計(jì)劃是可行的。1959年11月進(jìn)行了一次100米高度的飛行，共爆炸6枚化學(xué)炸彈。這次實(shí)驗(yàn)證明脈沖飛行是可以穩(wěn)定進(jìn)行的。然而，這個(gè)設(shè)想?yún)s有一個(gè)最大的弱點(diǎn)，那就是它依賴于原子彈爆炸做動(dòng)力，當(dāng)它飛出大氣層時(shí)，必將釋放出核輻射塵污染地球環(huán)境。這也正是獵戶座計(jì)劃后來胎死腹中的原因之一。在1963年美蘇簽定禁止大氣層核試驗(yàn)條約之后，獵戶座計(jì)劃研究于1965年終止。飛船飛船不過，這項(xiàng)計(jì)劃終究有其吸引人之處，它完全可以勝任以萬噸飛船再攜帶萬噸載重前往遠(yuǎn)方行星的重任，按照當(dāng)初的計(jì)劃，獵戶座太空飛船只需125天就能往返火星。而且現(xiàn)代的技術(shù)發(fā)展又為其提供了新的可能，中子彈可以以低輻射的方式來發(fā)射大量中子，對(duì)塑料盤產(chǎn)生作用；而最近對(duì)X射線激光的研究則可以用于將輻射集中于朝向飛船的方向，從而更加高效利用能量。支持它的科學(xué)家甚至計(jì)算過，最少可以用50億美元建造一個(gè)飛船并把1萬噸的東西帶上太空，這樣，每磅物品的運(yùn)送花費(fèi)僅僅是250美元，而使用航天飛機(jī)則達(dá)到5千到6千美元。隨著對(duì)獵戶座計(jì)劃的熱情重新漲起，也許有一天這個(gè)計(jì)劃會(huì)重新復(fù)活。核聚變核聚變核裂變發(fā)動(dòng)機(jī)在核心制造方面沒有太大的技術(shù)困難，但核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)則不同，首先需要解決受控核聚變的問題。但當(dāng)前技術(shù)尚無法讓輕核在常溫下發(fā)生聚變，氫彈是用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫來解決問題，但總不能在飛船內(nèi)部爆炸原子彈吧。主要思路主要思路1:磁約束聚變(MagneticConfinementFusion，簡稱MCF)，也被叫做持續(xù)性聚變(continuousfusion)，是將核燃料變成數(shù)百萬度的高溫等離子漿，從而使原子核活躍到能相互碰撞。由于等離子是帶電的，所以可以用非常強(qiáng)大的磁場來束縛它們，否則離子漿將融化任何束縛它們的容器。不過技術(shù)還維持不了足夠的時(shí)間來使它們產(chǎn)生反應(yīng)。2:慣性約束聚變(InertialConfinementFusion，簡稱ICF)，也被稱作脈沖性聚變(pulsedfusion)，利用激光或者粒子束來照射小燃料球產(chǎn)生超高溫，生成比磁約束聚變時(shí)密度更高1萬億倍的離子漿，從而產(chǎn)生聚變。由于這種反應(yīng)時(shí)間非?？?，不必要強(qiáng)磁場束縛它們，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時(shí)間來進(jìn)行反應(yīng)。3:μ介子催化聚變(Muon-CatalysedFusion)，μ介子是一種帶負(fù)電，質(zhì)量為電子207倍的基本粒子，壽命2.20微秒。由于它的質(zhì)量比電子大許多，所以能夠同原子核更接近，而它帶的負(fù)電可以屏蔽原子核的正電，使得原子核之間的斥力減小，能夠更接近，這樣，就不需要嚴(yán)格的超高溫或者體積限制。不過這種方式在技術(shù)上還難以突破，很難讓?duì)探樽舆M(jìn)入原子核周圍的軌道，而且它的壽命太短暫，所以以它為催化劑的聚變必須非常快才行，此外制造μ介子的代價(jià)也過于昂貴。前景前景核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)受控核聚變還是可以進(jìn)行的，只不過用在發(fā)電方面是得不償失，因?yàn)檩斎氲哪芰窟h(yuǎn)大于輸出的能量。但宇航并不需要計(jì)較什么輸出能量的大小，所以只要技術(shù)發(fā)展到輸入的能量和輸出能量大小不差異太大的話，受控核聚變完全可以在太空旅行中首先使用。那么，就考慮一下這三種方式的前景吧：1:磁約束聚變發(fā)動(dòng)機(jī)磁約束聚變有可能是發(fā)電的最佳方式，但在宇航方面很可能就不理想了，倒不是因?yàn)楸仨毎l(fā)明離子漿方向控制系統(tǒng)，而是因?yàn)楸仨毎惭b一個(gè)磁場產(chǎn)生裝置，而且可能還很大，而且這種方式下的離子漿密度低，意味著必須發(fā)動(dòng)機(jī)必須造得很大。不過還要看看未來的發(fā)展如何。2:慣性約束聚變發(fā)動(dòng)機(jī)和獵戶座計(jì)劃一樣，這個(gè)方案是直接利用核爆炸，但這個(gè)方案是在船體內(nèi)部爆炸，在尾部推進(jìn)艙內(nèi)使用激光或者粒子束來引爆小燃料球，每秒要引爆30到250個(gè)。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大氣的地球上具有明顯的好處，不受大氣分子的干擾。相對(duì)來說，這個(gè)方案是最可行的，不過，很顯然這種方式也要安裝別的設(shè)施，比如激光器或者粒子束發(fā)生器，并且需要給它們提供能量，盡管這個(gè)方案很可能比磁約束聚變發(fā)動(dòng)機(jī)要輕。規(guī)避方案規(guī)避方案相關(guān)應(yīng)用把激光器安在地球軌道上，然后飛船用一個(gè)很輕的光學(xué)系統(tǒng)來收集照射過來的激光并用于引爆，這樣可以讓飛船飛得很快，大概60天就能來回土星，不過看起來這個(gè)主意并不怎么好；使用高聚能物質(zhì)(highenergydensitymatter，簡稱HEDM，后面將有介紹)替代激光，象原子彈里化學(xué)炸藥的沖力引爆核燃料一樣來引發(fā)聚變，不過高聚能物質(zhì)也有其自己的問題，后面會(huì)講到。使用動(dòng)態(tài)啟動(dòng)器('kinematic'drivers)來替代激光，可以把高聚能物質(zhì)的作用想象成一個(gè)高速大錘，不過能否真達(dá)到足夠的速度讓人懷疑；一個(gè)大膽的建議是從地球軌道上高速發(fā)射小燃料球，然后飛船發(fā)射東西高速撞擊它們以引爆，但很顯然這個(gè)對(duì)接難度過大了；最后還可以利用反物質(zhì)反應(yīng)和核聚變結(jié)合，用湮滅來引發(fā)聚變，這樣，可以用很輕的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來獲得高效率，不過反物質(zhì)的麻煩也很多，后面會(huì)提到。計(jì)劃計(jì)劃英國星際學(xué)會(huì)(BritishInterplanetarySociety)在上世紀(jì)70年代重新回顧了獵戶座計(jì)劃，并提出代達(dá)羅斯計(jì)劃，只不過以更強(qiáng)大而且環(huán)保效果好一些的聚變力量代替原子彈。這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是向6光年以外的巴納德星(Barnard'sstar，是距離太陽系第二近的星)發(fā)射一個(gè)探測器，并用50年的時(shí)間到達(dá)那里。運(yùn)轉(zhuǎn)場景運(yùn)轉(zhuǎn)場景這個(gè)項(xiàng)目不是在象獵戶座那樣在外部爆炸，而是內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)，在一個(gè)磁場構(gòu)筑的“燃燒室”中，向小燃料球照射發(fā)射電子束，產(chǎn)生離子。用磁場限制離子漿的辦法將比獵戶座計(jì)劃更高效，因?yàn)楂C戶座計(jì)劃中原子彈的大部分爆炸能量都沒投射到船體上轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。外形外形探測飛船的質(zhì)量為5.4萬噸，其中推進(jìn)裝置重量是5萬噸，預(yù)計(jì)經(jīng)過持續(xù)4年的加速后，可以達(dá)到光速的1/8?？梢哉f代達(dá)羅斯計(jì)劃的理論是很有說服力的，設(shè)計(jì)上并沒有什么突兀之處。有不少科學(xué)家認(rèn)為執(zhí)著于受控核聚變是沒有意義的，完全可以用不完全受控的核聚變來作為動(dòng)力，而象獵戶座所需要的那些技術(shù)甚至在上世紀(jì)60年代末就已經(jīng)存在了。核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)總的來說，核裂變發(fā)動(dòng)機(jī)是相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的東西，而核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)則基本偏向科幻，需要很多技術(shù)突破才能變成現(xiàn)實(shí)。但裂變材料很稀缺，而用于核聚變的氘和氚卻很多，在近處的月球上尤其豐富。此外，核聚變還有大幅度降低輻射污染的前景，其方式是利用氫核(質(zhì)子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反應(yīng)，雖然反應(yīng)困難而且產(chǎn)生的能量小，但不產(chǎn)生γ射線和中子，只產(chǎn)生α粒子，可以說是相當(dāng)干凈的反應(yīng)。所以人們對(duì)核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)仍