[科普中國(guó)]-核火箭

基本概念

迄今為止，人類在探索宇宙的過程中已取得了巨大的成績(jī)，但要用傳統(tǒng)的化學(xué)火箭進(jìn)一步探索宇宙，卻由于化學(xué)火箭自身的限制而漸顯乏力。火箭飛行速度增量可由著名的齊奧爾科夫斯基公式計(jì)算：

式中Isp為比沖，s；Mi/Mf為火箭質(zhì)量數(shù)；Mf為最終質(zhì)量；Mi為初始質(zhì)量。1

核火箭的設(shè)想最早由美國(guó)核科學(xué)家烏拉姆提出，利用核聚變使一顆顆小型氫彈在飛船尾部相繼爆炸而產(chǎn)生推力。若每顆原子彈的爆炸當(dāng)量為1000噸TNT，估計(jì)爆炸50顆原子彈后飛船速度可達(dá)12千米/秒。20世紀(jì)50年代末，美國(guó)核科學(xué)家泰勒提出了類似的“獵戶座”計(jì)劃，每顆原子彈的爆炸當(dāng)量為2000噸TNT（在大氣層外），爆炸50顆后飛船的最大速度可達(dá)70千米/秒。

原理根據(jù)核能釋放方式的不同，核火箭可分為放射性同位素衰變型、核裂變型和核聚變型三種。所謂核裂變是在一定條件下，原子核發(fā)生分裂，同時(shí)釋放出大量的能量。所謂核聚變是在一定條件下，較輕的原子核會(huì)聚合成新的較重的原子核，同時(shí)釋放出大量的能量。

1968年，曾參加過“獵戶座”計(jì)劃的科學(xué)家戴森首次提出利用核聚變推進(jìn)的恒星際航行方案，飛船總質(zhì)量為3000萬噸，攜帶3000萬顆氫彈。經(jīng)過連續(xù)脈沖爆炸可在10年內(nèi)將飛船加速到300千米/秒。

1970年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)溫特伯格提出了用高能電子束引發(fā)核聚變。他設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)每次核聚變可釋放出約100億焦的能量，可實(shí)現(xiàn) 300千米/秒的高速航行。

核火箭有核裂變火箭和核聚變火箭兩大類。利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量作能源的火箭，叫核聚變火箭。由于受控核聚變反應(yīng)還在研究中，在過去的五十多年以及未來的二、三十年內(nèi)人類能利用的核火箭是由核裂變反應(yīng)提供能量的核裂變火箭。核裂變火箭又可分為核熱火箭、核電火箭、混合核熱/核電火箭、核裂變碎片火箭、核脈沖火箭、核沖壓火箭等。

核熱火箭核熱火箭是利用核裂變的熱能將工質(zhì)加熱到很高的溫度，然后通過收縮擴(kuò)張噴管加速到超音流而產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。其工作原理與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相似，所不同的是核熱火箭用核反應(yīng)堆取代了液體火箭中的化學(xué)燃燒。圖1為核熱火箭的原理示意圖。

如圖中所示，工質(zhì)氫流經(jīng)反應(yīng)堆后被加熱，再經(jīng)收縮擴(kuò)張噴管高速噴出。反應(yīng)堆的控制棒用來對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)中子流進(jìn)行控制，當(dāng)控制棒插入時(shí)，中子流減少；當(dāng)控制棒抽出時(shí)，中子流增加。而自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的實(shí)現(xiàn)取決于裂變產(chǎn)生的中子數(shù)與非裂變吸收及泄漏所消失的中子數(shù)之間的平衡。通常用有效增值系數(shù) Keff（反應(yīng)堆內(nèi)某一代中子數(shù)與上一代中子數(shù)的比值）來反映。當(dāng) Keff=1時(shí)，稱為臨界狀態(tài)，即反應(yīng)堆處于不同功率下穩(wěn)定運(yùn)行的工況；當(dāng) Keff>1時(shí)，稱為超臨界狀態(tài)，相當(dāng)于啟動(dòng)或升功率的過程；當(dāng) Keff