未来核动力飞船的工作原理（转）

• 发表于：2010-08-06 21:33:23
• 作者:挣扎多年发短信加好友更多作品博客

          未来，当人们探索太阳系带外行星时，人类要做的不仅仅是发射一些与它们迅速擦肩而

    过的小型探测器，而且将把航天器送入围绕着这些庞然大物的轨道，或者让机器人降落

    到它们的卫星上，甚至采集那里的岩石和土壤样品带回到地球。最终，我们还会把宇航

    员运送到这些新奇、令人神往的卫星上。相信在它们之中的一些卫星上存在着大量生物

    赖以生存的液态水。

    如果要完成这些使命，我们需要一种靠核动力来驱动而不是靠化学燃烧驱动的火箭

    。尽管化学火箭也十分出色，但与核火箭相比，给定燃料有限，因此产生的能量相对较

    少，极大地限制了航天器。例如，由于化学燃料驱动的航天器的质量受到了严格的限制

    ，因此如果要到达带外行星，必须要借助于行星引力。当航天器与行星足够近时，行星

    引力场就象弹弓一样加快它的飞行速度。如果要借助行星引力，设计者们需要等待选择

    合适的时机发射，以使航天器朝着定位合适的行星方向飞去，以提高飞行速度，到达更

    遥远的天体。

    从技术角度来说，化学火箭的最大速度增量很小，也就是说，这种火箭的排气速度

    不够大，不能给予火箭很高的速度。最好的化学火箭利用氢氧的化学反应，它给予航天

    器脱离地球轨道时的最大速度增量为每秒钟10千米。

    相反，核火箭提供的最大速度增量可达到每秒钟22千米，使航天器能够直接到达土

    星，飞行时间减少到三年，而传统航天器则要花费七年的时间。核火箭非常安全而且有

    利于环保：与人们平时的想法相反，发射核火箭时，放射性并不强。载有核助推器的航

    天器作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去。当有效载荷进入地球高轨道时，即

    大约800公里以上，核反应堆开始工作。

    目前，制造核动力火箭发动机所需的技术并非遥不可及。事实上，有人 已经设计了一种小型核动力火箭发动机，称为微型核反应堆发动机（Mitee）。大约六至七年可制造出来。耗资六到八亿美元（对空间发射来说，这个费用适中）。实际上，研制发动机的费用可以从以后所节省的发射成本中弥补回来。使用这种发动机不需要携带大量的化学推进剂，也就是说，发射时可以选用价格低廉的"德尔它"或"宇宙神"运载火 箭代替"大力神"4。"大力神"4的发射费用为2.5-3.25亿美元，而"德尔它"或"宇宙神"的

    在我们的设计中，反应堆中的核燃料由一些带孔的金属板卷成筒而成，中间是空心

    的。燃料卷筒外覆盖一层缓和剂--氢化锂，用来降低核裂变时在燃料中产生的中子的速

    度。冷却剂--液氢从外部进入燃料卷筒，受热之后，迅速变成气体流向中间的空心。大

    约2,700摄氏度的过热气体会以很快的速度沿着卷筒中心的通道流动，最后穿过末端的小

    喷管。

    核动力推进装置的一个诱人之处在于它能从太阳系外的巨大行星中的气态氢或从遥

    远的卫星和行星上的冰中获取大量的推进剂-氢。由于核燃料的使用时间相对较长，因此

    从理论上讲核驱动的航天器可在太阳系外飞行10到15年，必要时可补充推进剂-氢。航天

    器能在木星、土星、天王星和海王星的大气层飞行数月，收集有关星球构成、天气条件

    及其他特征的详细数据。此外，它还可以飞到木卫二、冥王星或木卫六，采集岩石样品

    ，通过电解融化的冰水收集氢气补充动力原料，然后再返回地球。

    核反应堆在离地球很远的地方才开始工作，因此核动力的航天器实际上可以做得比

    化学燃料驱动的深空探测器还要安全。在太阳系外，太阳光非常微弱，难以为探测器上

    的仪器提供能量。因此，它们通常使用钚238作为动力源，钚238即使是在发射航天器过

    程中放射性也很强。另一方面，核动力驱动的探测器中的反应堆不仅产生推力，也为各

    种仪器提供能量。此外，完成一次深空飞行只生成大约1克的裂变产物，且在任何情况下

    都不会返回到地球上，因此产生的放射性废料可忽略不计。

    核火箭并不属于新鲜事物。美国国防部在20世纪80年代就曾提出了太空核热推进计

    划。这项计划的目标就是研制一种轻型小巧的军用核能发动机，如：把重型有效载荷发

    射到地球高轨道。这一方案是在粒子床反应堆的基础上设计出来，反应堆中的燃料是由

    很小的压缩碳化铀粒子构成的，在碳化铀的外面还涂有碳化锆。尽管在制造核能发动机

    之前，离子床反应堆的研制工作才结束，但工程师们按照这种设计成功地制造并启用了

    小功率反应堆，并且还验证了可获得高功率密度。

    事实上，在很大程度上，Mitee要归功于粒子床反应堆的研制工作，为此， XXX

    在Brookhaven国家实验室投入了十几年的精力。Mitee的燃料组件也采用基本的环

    行结构，另外它还选用质量轻、热稳定性能好的氢化锂作为缓和剂。Mitee燃料组件的功

    率密度至少达到每升10兆瓦。

    很显然，我们使用化学火箭探索带外行星及其卫星的可能性微乎其微。近期，只有

    核火箭能够提供所必需的动力、可靠性和灵活性，使人类对太阳系深处的神秘世界有更

    深入的认识。