核动力火箭,是指使用核能为动力的替代传统化学燃料的火箭!核动力火箭无论是推力还是续航能力上,都具有化学燃料火箭无可比拟的优势。如果核动力火箭成功发射,必将是航天历史上的重大里程碑!
曾经有人断言,如果人类无法摆脱传统化学燃料,那么人类必将永远被困太阳系内。使用化学燃料的航天器进行一次火星旅行,起码需要500天,而使用核动力的航天飞船,那么只需要50天就可以!目前美俄中等大国都在进行核动力飞行器的研究,其中以美俄进展最快。而近日,俄罗斯国家航天集团称俄罗斯已经开始组装核动力火箭,并公开了相关照片!
一般来说,核动力火箭可分为核电火箭、核脉冲火箭、核热火箭、核盐水火箭、核冲压火箭及核聚变火箭等。理论上核聚变是最有前途的方式,其原理是核聚变产生大量的阿尔法粒子(氦核)、电子、质子,通过磁场引导喷出,形成离子气流。这些离子气流可以达到很高的排气速度和比冲,在磁场的约束下可以达到每秒1万公里的速度!但遗憾的是,在可预见时间内,核聚变发动机难以实现。
目前研究最多的是核热火箭(NTR),并且历史上曾经制造出过样机。美国NERVA项目中,就曾经制造出了核热火箭发动机NRX-XE,其核反应堆功率达到了1100MW,测试推力达到244KN,达到710秒(真空比重为810秒)。NRX-XE发动机测试表明,核动力火箭适合太空飞行。遗憾的是,NASA的由于预算遭到削减等问题,在1972年就放弃了核热火箭项目。
而作为美国的竞争对手,前苏联在核动力火箭研究上也没有停止,虽然进度没有美国快,但是却走得更远。到1988年年,前苏联进行了30余次核热发动机实验,并且都取得了成功,最终制造出来了RD-0410和RD-0411两款核发动机。其中RD-0410重2吨,高3.5米,直径1.6米,推力达到35KN,而RD-0411推力更是达到了惊人的700KN!战斗民族果然不是盖的!
相比美国的核动力发动机,前苏联的设计无疑更加简化、安全和更加便宜。与美国核燃料棒采用蜂窝煤结构不同,前苏联采用了麻花杆形结构,由于通道采用螺旋形设计,增加了氢气的冷却接触面积。另外,与美国一样,前苏联也采用了氢化锆作为,不但避免了过高温度,而且还使得反应锥体积更小。不过苏联解体后,俄罗斯在1994年放弃了核热火箭项目,据说很多相关资料被美国获得。
进入21世纪以来,随着科学技术的进步,人类慢慢又开始了新一轮太空热,美俄等国家又重新开始核动力火箭的研究。早在前几年,俄罗斯就宣布要研究核动力火箭,俄罗斯航天集团第一副总经理尤里·乌尔利奇奇今年初时候表示:俄罗斯将在2030年前发射核动力宇宙拖船。而最近被公开的俄罗斯航天集团公司组装的核动力火箭,据说推力达到140吨级别,如果成功,将是和马斯克星舰一个级别的划时代航天器,俄罗斯航天领域将再次雄起!
核热火箭研发主要的技术难点和障碍如下:
1、冷却循环方面,核裂变发动机温度达到3000℃以上,不但对材料要求极高,而且对冷却系统要求也非常严格,喷管的冷却通道的设计和研制是非常大的挑战。
2、核反应堆设计,发动机的核反应堆要求体积小、重量轻、功率高,而且还要保证安全。因此对铀235纯度要求更高,90%以上,而且采用熔点更高的铀-235二氧化物。
3、燃料棒的结构非常重要,美国人当初选择了蜂窝煤结构,而前苏联则选择了麻花杆形的结构。
4、安全性问题,核热火箭动力核心是核裂变反应锥,一旦发生爆炸,就会是另一个版本的切尔诺贝利事件。
5、环境污染问题,火箭发动机喷射出的尾气带了发射性物质,将对地球环境造成灾难。针对此项,有人认为使用化学燃料火箭将核动力火箭运到太空,太空中就没有这个问题。
6、最后还有一个敏感问题,你发射核动力火箭还是核弹呢?这个不好解释,因此核动力火箭研究透明度一直不高。
与俄罗斯不同的是,美国更偏向核聚变火箭的开发,有传言美国将在2030年使用到这革命性的发动机。不过很多人对此持怀疑态度。目前核聚变技术驱动火箭的原理已经在实验室进行了验证,但是距离核聚变技术真的取得成功还很遥远。因此,除了核聚变外,NASA也同时进行着核裂变火箭的开发,并计划在2035年前将人送到火星。
至于我国,在核动力火箭研究也不会慢,相信在不久将来将我国的核动力火箭带领我们遨游太空!