最近,国外媒体报道,美国宇航局的工程师正计划建造核裂变装置,以作为宇宙飞船的主要动力,科学家认为,如果我们使用核动力火箭飞往火星,只需要30天时间。
在很多人的眼中,核能最成熟的运用就是核电站,那么,只能发电的反应堆,又是如何用在火箭上的呢?
并非新鲜事物
核动力火箭,并非现在才提出来的新概念。早在20世纪初,得知居里夫妇提炼出放射性元素镭之后,俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言:“一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”
后来,美国还在紧锣密鼓研制第一颗原子弹时,曼哈顿计划的主要领导者之一,有原子弹之父的费米,就给那些正在研制原子弹的科学家说,你们除了研制原子弹,也不要忘了研究以核作为动力的可行性。最后,美国人和苏联人还真是上马了核动力飞机的计划,1957年,美国人又开始了核火箭的研制——猎户座核火箭计划
猎户座核火箭计划
这是一个现在看来相当疯狂的计划,即使出现在科幻小说中,也会给人一种异想天开的感觉,因为它是采用原子弹爆炸的方式给火箭提供动力,具体原理是这样的。
使用一颗颗小当量原子弹在火箭尾部相继爆炸,火箭后面安装一个推进盘,吸收爆炸的冲击波以推动火箭前进。
其升空过程就像海洋里的水母,一下一下的,每扔掉一颗原子弹,火箭就向上窜出一段距离。
根据设想,在起飞阶段,每秒引爆一颗100吨TNT当量的小型原子弹,当火箭到达一定速度和高度后,引爆速率下降到每10秒一枚,由于已经远离地面,此时引爆的是2万吨当量的核弹。
另一个对环境更友好的方式是,先用多根火箭把飞船升到一定高度,然后再尽情地抛出核弹。
显然,使用小当量核弹爆炸以提供动力,这能达到极高的速度。1958年,美国核科学家泰勒设想,如果在大气层外每颗原子弹的爆炸当量为2000吨TNT,那么引爆50颗这样的原子弹后,飞船的最大速度可达70千米/秒。
现在回过头去看,猎户座核火箭计划实在是过于疯狂,但在当时的环境下,其实也是可以理解的。从1945年7月16日美国进行世界上首次核试验到1989年底,各国共进行了2000多次核试验。这其中,美、苏两国核试验次数约占总数的80%。
既然都进行那么多次核试验了,而且还是大当量的,那么用很多小当量核弹发射火箭又有何不可呢?另外,猎户座核火箭计划还有一个在那时听上去很美好的借口:把美苏巨大核武库中的核材料充分利用起来,为人类探索宇宙做贡献。
1963年,《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》生效,猎户座核火箭计划也随之走到了终点。
核热火箭
跟疯狂的“猎户座核火箭”比起来,核热火箭对环境的破坏要小得多。它是在火箭上安装一个小型反应堆,利用反应堆产生的高温,通常是3000k左右,接着利用高温加热液态氢,液态氢被反应堆加热后,体积急剧膨胀,从火箭尾部喷出,产生反推力。核热火箭具有推力大、比冲高、可多次启动等优点。
核热火箭的工作原理跟常规火箭发动机相似,唯一不同的是,核热火箭用核反应堆取代了液体火箭中的化学燃烧。
如图中所示,在涡轮泵的带动下,液体氢通过管子流到反应堆中,液体氢被加热后,高速向喷口喷出,同时有一部分气体通过管子流到涡轮泵,给涡轮泵提供动力。
核热火箭之所以选用氢,是因为氢气具有优异的导热性能,在高温下容易分解为原子氢,并吸收大量的热量,它的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,相同质量的气体中,氢气的体积最大。
发动机的动力大小可以通过控制棒进行调节,当控制棒插入时,中子流减少,反应速率降低,动力变小;当控制棒抽出时,中子流增加,动力也随之变大。
早在1946年,美国空军和美国航空航天局就开始了对核热推进技术的研究,而在火箭推进中,最著名的是Rover计划和NERVA计划,在1955年到1968年间美国就投资了15亿美元。
因为耗资巨大,而NASA的1969年预算又遭到了国会的削减,种种困难下,核热火箭项目在1972年被中止。
核电火箭
核电火箭是利用反应堆产生高温,通过热电转换,得到稳定电源后,把气体电离,通过强大的电场力将带电的离子加速,使离子高速后喷出,以反作用力推动飞行器。
把气体电离,不光可以用核能,还可以用太阳能,一般,用太阳能提供电力的推进器叫“离子推进器”,而目前,离子推进器应用最广,相对来说最成熟,从欧空局的“SMART-1”月球探测器,到探索谷神星与灶神星的曙光号,还有在太阳飞行了六十亿千米的“隼鸟号”等等,都是采用离子推进器。
然而,利用太阳能的离子推进器有一个缺点,不能离太阳太远,这要是飞到冥王星或者冲出太阳系,太阳能就指望不上了,这时,还是只有核能可以依靠。
虽然核能的利用不怎么受待见,但是对于太空探索,星际旅行,核能几乎是未来唯一的可行方式。“旅行者1号”虽然已离开太阳系,闯入了星际空间,但它是无人的。另外,“旅行者1号”长久以来之所以还能与地球通讯,也全靠它上面的两枚核电池。所以,未来的太空探索,要想大大超越现今的成绩,核能也许是唯一的选择。