峰哥博客
长征五号成功发射之后，关心中国航天的朋友们一片欢腾，因为大家都知道，到2030年之前，中国有载人空间站的建设，月球采样返回以及火星探测都要仰仗它！但在欣喜之余吃瓜群众们肯定有一个问题，核反应堆能量那么大，可以用在火箭上吗？听说尼米兹可以十年不换燃料，如果用在火箭上，那不是太阳系都飞出去了吗？
关于核动力火箭的黑历史
其实核动力火箭并不是一种新玩具，而是在核能利用如火如荼的上世纪五六十年代早已被苏联和美国玩烂了，根据美苏当时的研究成果，双方都认为这种火箭十分适合太空飞行，但后来却不约而同的下马了，原因有些复杂！
二战刚结束，核动力发动机就提上了日程，最早核动力发动机的装机需求是飞机，因为核动力超级能量密度，使得它一次装载燃料，可以绕地球数圈不用降落，这对于任何一个国家来说都是一种强大的诱惑，所以当时技术力量的最强的美国和苏联都上马了核动力发动机项目！
1946年5月美国空军主持下的核动力发动机研制项目开始启动，苏联早期也已进行了技术论证，但一直就停留在图纸上上，当得到美国进展顺利时，同样也加入了这个竞争！当时用在飞机上的发动机打算利用核裂变加热流经发动机的空气，
直接加热空气：存在比较大的放射性污染但效率比较高
间接加热控制：不存在放射性污染，但效率稍低，结构复杂
将大气吸入发动机膨胀后高速喷出来取得前进的动力，有点类似于冲压发动机，但这种模式在大气层中使用并没有什么问题，但在宇宙空间使用时却遇到了问题，因为真空中并无大气，所以这种向后喷出的介质必须要火箭自身携带！
- 哪种介质最合适？
以地球的条件来说，水无疑是最丰富的，因为它密度很高，非常适合用来作为介质，但水在宇宙中并不容易取得，因此作为宇航级别的火箭，氢成了最好的选择，因为它导热性好、太空中易取得、速度转换效率高等优点，而水则成了第二选择，因为水在太阳系内还是比较容易获得的，比如小行星和卫星上就存在大量的水！
- 用什么燃料？
当然是比较容易获得的U235了，而且有制造原子弹时的浓缩经验，将U235处于高浓度下裂变（90%），尼米兹航母的核燃料也是这个级别，它可以达到13年更换一次核燃料的水平！可以以及使用安全的减速剂，早期用的反应堆是石墨，但这在太空中显然不合适，因为石墨高温下会和氢反应生成乙炔和甲烷，一来容易积聚气体爆炸，而来还容易形成积碳，因此在核火箭反应堆中用的是氧化锆！
- 火箭发动机用什么循环？
正常情况下用什么循环问题并不大，毕竟核火箭有的是热量，因此循环选择一旦不合适可能会导致堆芯融毁的严重事故，因此美国人在验证了开始循环后发现存在严重的问题，比如介质流量不够时，如果吸收中子的控制棒没有及时降低功率，那么堆芯就可能出现融毁的风险，后期正式测试时选用了笔试循环。
右为闭式循环
- 核动力火箭的命运如何呢？
大家都知道核火箭没有流行起来，因为美国的核火箭项目在1972年已经彻底终止，原因很简单，无法控制它的安全系数，因为经过核反应堆加热的介质具有放射性，而且它可能在通过大气层时发生爆炸和坠毁，将会长期大面积的污染环境！
1962年9月1日在内华达州沙漠中测试了第二代KIWI-B系列反应堆，在将反应堆提升功率到90%后不到一分钟，超压将发动机结构破坏，二氧化铀和裂变产生的放射性同位素通过喷管直接排入了大气！
1962年11月30日测试时，功率达到25%时候反应堆堆芯损坏，检查后发现堆芯被震动所破坏，部分已经断裂！
“KIWI-TNT”破坏性试验
为避免后续使用中出现难以预估的风险，1965年1月12日进行了“KIWI-TNT”破坏性试验，即人为将反应堆置于超临界状态，比如控制棒卡住无法吸收中子时将会有多少时间来处理事故？答案是156毫秒，相信即使是计算机都来不及反应，所以这种核火箭存在的风险实在难于预估。
尽管最后NASA认为核动力火箭非常适合太空飞行，但核火箭项目还是在1972年被终止！而1972年核火箭方案终结前洛斯阿拉莫斯实验室的研究已经表明，采用全流量闭式膨胀循环的NTR，推力72kN，液氢流量在 8.5 kg/s时比冲达到 874.8s！我们来看看常用火箭发动机的比冲：
常规火箭的比冲
除了离子电推进发动机以外，核火箭秒杀一切燃料火箭！
还有那些不靠谱的核动力方案？
除了核裂变火箭以外，还有利用衰变能的火箭，这个功率无法调节，比冲比较低，而且无法关闭，因为衰变一直都在发生，即使不产生推力时也需要散热！这个其实并不太适合！但除了这种温柔的发动机以外还有几种大跌眼镜的发动机：
- 核爆的核脉冲推进发动机
这个原理很简单，即利用核爆产生的冲击波产生推力，这有几个问题，其一就是大气层中有大气作为核爆的冲击波，但太空中则没有，因此需要核弹周围包裹物质作为传递动力的介质，监管这效率比较低，但仍然可以接受！
其二则是这个冲击是脉冲式的，将会导致巨大的冲击，即使是设备都难以承受，人类可以吗？答案是没有问题，因为设置相应的冲击吸收装置后完全没有问题！
研究人员利用常规炸药测试获得成功
尽管测试表明可以获得推力，但这中暴力方式仍然没有人敢于操作，在大气层内丢核弹无疑自寻死路，因此后期的计划是将飞船先用普通火箭发射出大气层再在宇宙空间中启动这种模式！
传说中的丢核弹飞船：猎户座的发射过程
以小当量的核弹为推进动力的效率尽管极低，但因为核弹本身能量极高，因此小当量的核弹推进速度依然让人羡慕不已，但这个疯狂的计划在1963年走到了尽头，因为《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》于当年生效，这个计划寿终正寝！
核聚变推进型火箭
核聚变推进方式有两种，一种是聚变直喷，比如《三体》中的无工质聚变堆推进（其实是有工质的），另一种则是光子火箭，后者推进效率太低几乎就无人考虑！
- 聚变直喷
将聚变成生的大量氦核（带正电），质子（正电）以及电子（带负电）通过磁场引导的方式高速排出，这个速度比常规的电推进喷气速度要高得多，因此它的推重比非常高！比如理应氦三和氦三的聚变反应，没有讨厌的中子问题，因此使用磁场可以控制所有产生的带电粒子，效率很高！
历史上最著名的聚变直喷计划就是“代达罗斯”计划，它使用氦三和氘聚变，产生的中子非常少，易于控制，使用氘和氦三的燃料小球在惯性约束条件下使用电子束轰击下聚变，产生的带电粒子在电场控制下以每秒超过1万千米的速度排出尾喷口，最终将飞船加速度到光速的1%！
这是一个极其宏伟的计划，因为代达罗斯飞船的总质量高达5.5万吨，大约是现代最大的航母一半质量，这艘庞大的飞船绝大部分都是燃料，而它最终只能在近地轨道上组装，但我们可以想象的是，国际空间站仅仅只有400吨就花了十几年，不知道这艘5.5万吨的飞船需要多久时间才能完成。
巴纳德冲压发动机
除了代达罗斯飞船自带燃料外，还有一种巴纳德冲压发动机模式的聚变推进模式，这种模式下飞船不携带燃料，而是采用一个数千米直径甚至更大的磁场收集星际空间中的氢原子作为聚变推进的燃料，有些类似大气层中的冲压发动机，因此巴纳德冲压发动机以此得名！
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作者:
F_Robot，
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原文地址《
为什么不用核动力火箭？十年不用换燃料是真的吗？》发布于2020-1-19
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