连载四：化学火箭之核动力火箭(组图)

核火箭发动机原理图
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激光核聚变示意图
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　　原子核中蕴含的能量被发现以后，一方面立即被应用于军事，另一方面很多人也开始了和平利用原子能的尝试。核电和核动力船舶很快就投入实用，但核动力飞机的尝试却失败了，因为大多数飞机无法运载一个庞大的反应堆。50 年代，美国人终于造出了像B-36这样确实能装上一个反应堆的大型飞机，但这个机载反应堆的功率输出却很难满足驱动如此庞大飞机的需求，因此美国不久后就放弃了把B-36改装成核动力飞机的计划。为什么明明能量巨大的核反应堆驱动飞机时反而不如普通的化学燃料发动机呢？这都是因为在目前的技术水平下，原子能转化成动能的过程太复杂了，以致效率低下，或者用术语说，是功率密度不足。通常的船用核反应堆采用了所谓两回路方式，第一回路直接从高放射性的堆芯中吸收能量，被加热后把热量带到堆芯以外，加热第二回路中的水，产生蒸汽推动蒸汽轮机先发电，再用电力推动船舶，或是直接通过减速齿轮机构带动螺旋桨产生推力。然而用这种方式驱动飞机无法得到令人满意的效果，因为整套装置太大也太重了，多余的体积和重量完全抵消了大功率带来的好处，结果装了类似船用反应堆的核动力系统后，飞机根本就飞不起来。此外，对于飞船，最终的功率输出也不能靠螺旋桨，因为在太空中根本不能指望空气的反作用力。

　　功率密度

　　一个产生动力的装置，单位体积或单位重量能够发出的功率，分别称为体积功率密度和重量功率密度。核反应堆虽然功率强劲，但功率密度确实比较低

　　为了在火箭上应用核动力，新的推进原理必须首先开发出来，而且不能借助于螺旋桨这样依靠外部物质，如空气或水的反作用装置。一种核动力火箭的设计图是这样的：首先利用反应堆加热水，让它变成蒸汽，然后高速蒸汽喷射出来，推动火箭。这和苏联科幻小说家设想的“蒸汽原子飞机”有些相似，但作为火箭，必须自带大量工作物质的缺点仍将使得利用原子能加热带来的优点基本被抵消，因为背着大批水上路依旧是个沉重的包袱，而且从水到蒸汽的转换过程浪费的热量也太多。最后，环保组织也一定会反对这一方案的，因为它取消了两回路模式中高、低放射性区的分隔，从核发动机中喷射出的蒸汽必然是高放射性的，会造成严重污染。

　　采用氢气作为核动力火箭的工作物质可能是更好的解决方案，液氢已是最常用的火箭燃料之一，火箭携带液氢基本上没有技术难点。利用核反应堆加热氢，只要其最终喷射速度达到或超过目前氢氧火箭发动机的喷射速度，相同重量的火箭就能工作更久，也就可以把火箭最终加速得更快。这里只存在两个问题：首先，火箭的最后重量中包括核反应堆的重量，因此它必须尽可能轻。超小型核反应堆目前已能实现。此外，如果在外太空使用，可以不考虑放射性残余物的问题，简单到只有一个质子的氢核也比较不容易产生感生放射性，于是屏蔽层可以作得薄些，喷射出的氢气也可以直接流过反应堆芯，这样就可节省下不少重量，当然环保组织可能还是会反对这个设计。第二个问题看似简单，解决起来却不容易，那就是如何让被加热的气体高速向后喷出。这是个热能转化成动能的问题，其实也是喷气推进技术方面的一个核心问题。目前，已基本研制成功的超音速冲压喷气发动机会是一个很好的借鉴。

　　感生放射性

　　物质由于处在高放射性环境中，受到辐射，使原子核发生变化而产生的放射性

　　以核裂变型反应堆为基础的原子能火箭构想已基本成熟，主要存在的问题是缺乏投资和实质性的需求、能达到的最高速度仍然有限以及环境污染等。如果受控核聚变技术能够实现，并且可以小型化，那么也可以用核聚变反应堆当作火箭动力，采用的工作原理则基本与上述方式相同。由于核聚变产生的能量远远大于核裂变，相同重量的核聚变燃料能够运行更长时间，并把火箭加速到每秒100千米以上。目前，用激光束照射核燃料，使之在燃烧室内发生核聚变反应的实验已接近成功。这种激光核聚变反应堆不需要大尺寸的约束腔容纳反应物，也不需要外加强磁场，小型化的前景比较好。因此，或许我们可以期待采用这种原理的聚变核火箭出现。此外，采用磁约束达到高温的“托卡马克”装置最近也取得了较大进展，虽然这一装置较庞大，而且需要超导磁体来产生强磁场，但如果是用于几千吨级或更加庞大的星际飞船，也是可以考虑的，它的好处是易于长时间高负荷连续工作，因为在激光核聚变堆中，燃料小球烧完后必须停止工作才能重新装填。