1961年，美宇航局和美國(guó)原子能委員會(huì)共同成立了航天核推進(jìn)局。就這樣，火箭飛行器用核引擎誕生了。發(fā)動(dòng)機(jī)的核心由鈾235燃料滲透的石墨構(gòu)成，鈾原子裂變產(chǎn)生能量。
自從核能被開(kāi)發(fā)以來(lái)，各種核動(dòng)力平臺(tái)也都研發(fā)過(guò)，比如核動(dòng)力飛機(jī)、核動(dòng)力火箭、核動(dòng)力艦艇等，今天我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)核動(dòng)力火箭。核動(dòng)力火箭狹義上的說(shuō)法可參照美國(guó)原子能委員會(huì)和NASA共同研發(fā)的NERVA火箭飛行器用核發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)以鈾235為核燃料，通過(guò)核裂變釋放能量。使用核裂變作為動(dòng)力來(lái)源，也說(shuō)明NERVA火箭飛行器用核發(fā)動(dòng)機(jī)存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，這不利于人類長(zhǎng)時(shí)間在太空中航行。
圖注：NERVA火箭飛行器用核發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)
圖注：蘇聯(lián)也建造了RD-0410核熱發(fā)動(dòng)機(jī)，核輻射提醒標(biāo)志非常夢(mèng)想
同時(shí)，如果該發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)射失敗之后墜入大氣層，那么對(duì)環(huán)境造成的危害也更大。廣義上的核動(dòng)力火箭已經(jīng)得到升級(jí)，比如核脈沖推進(jìn)技術(shù)，通過(guò)釋放小型核爆作為航天器前進(jìn)的推力，還有核聚變火箭，那么輻射隱患就可以消除了。
核動(dòng)力火箭提出背景
核動(dòng)力火箭在1952年就開(kāi)始提出了，美國(guó)陸軍部就通過(guò)曼哈頓計(jì)劃嘗試過(guò)核裂變反應(yīng)的效果。參與該絕密計(jì)劃的科學(xué)家成功進(jìn)行了首次核爆炸，并將兩顆原子彈投擲至日本長(zhǎng)崎和廣島市，為二戰(zhàn)太平洋戰(zhàn)區(qū)畫(huà)上句號(hào)。二戰(zhàn)后，美國(guó)科學(xué)家和工程師面對(duì)強(qiáng)大的核裂變能量，都需要轉(zhuǎn)換一種新思路。首先想到的是核動(dòng)力飛機(jī)，如果一架飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)力是核燃料而非航空燃料，那么將延長(zhǎng)飛機(jī)停留在高空的時(shí)間，可以隨時(shí)隨地發(fā)射巡航導(dǎo)彈等。一些科學(xué)家都覺(jué)得擁有了核飛機(jī)，就將統(tǒng)治了天空。另一個(gè)思路就是研發(fā)核潛艇，稱霸海洋也不在話下。
圖注：研發(fā)核動(dòng)力火箭之前，先有核動(dòng)力飛機(jī)
1945年，美國(guó)陸軍空軍著手對(duì)核動(dòng)力飛機(jī)進(jìn)行研究。美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)于1951年對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步探索，并將核計(jì)劃的控制權(quán)移交給了原劉易斯飛行研究中心。主要原因是因?yàn)楹笳哙徑黀lum Brook測(cè)試基地，這里配有核聚變實(shí)驗(yàn)的一系列設(shè)備。
1956年，美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)正式批準(zhǔn)美國(guó)原子能委員會(huì)進(jìn)行核試驗(yàn)，與此同時(shí)也時(shí)刻關(guān)注著核飛機(jī)的進(jìn)展。五年后，該基地已經(jīng)將不必要的障礙建筑掃除完畢，一切準(zhǔn)備就緒。這時(shí)，核動(dòng)力飛機(jī)的美夢(mèng)破碎。因?yàn)樘K聯(lián)就要成功建造核飛機(jī)的謠言被破除，當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪就也沒(méi)有因此放松警惕，畢竟在未來(lái)實(shí)現(xiàn)軍用核動(dòng)力飛機(jī)的可能性極小，但在核動(dòng)力火箭上研發(fā)的概率較大，也具備可行性，于是核動(dòng)力火箭開(kāi)始提上研發(fā)議程。
圖注：1967年12月，NERVA核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在2270 K、1100 MW下完成60分鐘耐久測(cè)試
圖注：1965年1月，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)發(fā)生爆炸
核動(dòng)力火箭優(yōu)勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)
1961年的美國(guó)采用的是化學(xué)火箭，即專門(mén)為水星任務(wù)建造的火箭：水星-紅石號(hào)和水星-阿特拉斯號(hào)。不過(guò)化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法產(chǎn)生太大的能量，想要發(fā)揮最大效力，就需要行星的最佳排列才行，這種最佳排列的發(fā)生概率是大概每?jī)赡瓿霈F(xiàn)一次。化學(xué)火箭的另一個(gè)弊端是承載的燃料十分有限。如果燃油加重，甚至還沒(méi)有出發(fā)就已經(jīng)耗盡。核推進(jìn)力卻完美地解決了這些問(wèn)題，它不需要成噸地燃燒燃料，只需要原子裂變并釋放動(dòng)能就可以產(chǎn)生足夠的能量，提供給發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)大的比推力。
簡(jiǎn)而言之，比沖的秒數(shù)越高，火箭的成本就更低，效率就更好。1960年代化學(xué)能火箭的比沖在300至450秒，如果使用核動(dòng)力火箭，比沖為800至900秒，效率方面是化學(xué)能火箭的兩倍。相比效率低下的化學(xué)火箭，核火箭能夠縮短太空飛行時(shí)間，還能縮短宇航員遭受宇宙射線影響的時(shí)間，從而減緩在微重力環(huán)境下宇航員的肌肉萎縮情況。不過(guò)我們不能忽視宇航員接近核動(dòng)力裝置時(shí)遭遇的放射性威脅，這也是核火箭運(yùn)用的最大難題：無(wú)法確保宇航員不受核輻射的影響。
圖注：核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題
1961年，美宇航局和美國(guó)原子能委員會(huì)共同成立了航天核推進(jìn)局。就這樣，火箭飛行器用核引擎誕生了。發(fā)動(dòng)機(jī)的核心由鈾235燃料滲透的石墨構(gòu)成，鈾原子裂變產(chǎn)生能量，能量經(jīng)由鈹反射器圍繞在核心四周。泵輸送氫至火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，氫從裂變后的鈾原子中獲取能量，加熱至大概4000攝氏度，從而產(chǎn)生推力，如此高的溫度和溫度的兩極分化也有可能會(huì)影響核裂變過(guò)程。有了核火箭的推進(jìn)力，人類到達(dá)火星就比較容易實(shí)現(xiàn)。
到了1968年，火箭工程師對(duì)火箭飛行器用核引擎的準(zhǔn)備工作基本完成，其載荷量可達(dá)150噸。此后馮-布勞恩提出了一個(gè)大膽設(shè)想，讓12名宇航員各自乘坐兩枚核動(dòng)力火箭前往火星，這兩枚火箭都由火箭飛行器用核引擎驅(qū)動(dòng)，發(fā)射日期為1981年11月，到達(dá)火星的日期為1982年8月。然而，由于載人太空飛行的預(yù)算和時(shí)間成本過(guò)高，萌發(fā)于阿波羅時(shí)代的太空幻想在20世紀(jì)70年代陷入泡影。如果馮-布勞恩沒(méi)有在1977年去世，經(jīng)歷二戰(zhàn)、冷戰(zhàn)的那些頂級(jí)火箭工程師，從技術(shù)上說(shuō)完全有可能讓人類抵達(dá)火星，曇花一現(xiàn)的核動(dòng)力火箭險(xiǎn)些改寫(xiě)教科書(shū)。
圖注：如果馮布勞恩沒(méi)有去世，說(shuō)不定人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了抵達(dá)火星
圖注：圖注：如果馮布勞恩沒(méi)有去世，說(shuō)不定人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了抵達(dá)火星
核動(dòng)力火箭有望涅槃
肯尼迪在1961年5月的國(guó)會(huì)演講中提到了研發(fā)用于月球探測(cè)的核動(dòng)力火箭，這句話給未來(lái)探索太空充滿激情的人類一個(gè)鄭重的許諾。在演講中，核火箭的提及順序排在登月許諾的后面，因?yàn)樘崭?jìng)賽也算國(guó)家之間的一場(chǎng)由蘇聯(lián)發(fā)展核武器引發(fā)的冷戰(zhàn)。時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)后，美國(guó)國(guó)會(huì)在2019年末達(dá)成了一項(xiàng)開(kāi)支法案。在這項(xiàng)法案中，專門(mén)劃撥了1億美元給美國(guó)宇航局用作開(kāi)發(fā)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然大眾輿論對(duì)核材料的反響一直很劇烈，但對(duì)于太空探索領(lǐng)域，卻顯得寬容得多。
圖注：NASA最新提出的核動(dòng)力火箭
圖注：NASA核動(dòng)力火箭目標(biāo)是探索火星以及火星軌道之外的太陽(yáng)系天體
好奇號(hào)探測(cè)器是美宇航局眾多以核材料為動(dòng)力來(lái)源的探測(cè)器之一，多功能放射性同位素?zé)犭姵乜梢詫?shí)現(xiàn)钚238和電能之間的轉(zhuǎn)換。航天器的核動(dòng)力和核電站肯定是不一樣的，但與危險(xiǎn)材料為伍也頗具挑戰(zhàn)性，隨著核聚變技術(shù)的成熟，未來(lái)核動(dòng)力火箭應(yīng)該以核聚變?yōu)橹饕獎(jiǎng)恿?，這是比較靠譜的。
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