核火箭

迄今為止，人類在探索宇宙的過程中已取得了巨大的成績，但要用傳統的化學火箭進一步探索宇宙，卻由於化學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算：

式中Isp為比沖，s；為火箭質量數；Mf為最終質量；Mi為初始質量。

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

根據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，原子核發生分裂，同時釋放出大量的能量。所謂核聚變是在一定條件下，較輕的原子核會聚合成新的較重的原子核，同時釋放出大量的能量。

1968年，曾參加過“獵戶座”計劃的科學家戴森首次提出利用核聚變推進的恆星際航行方案，飛船總質量為3000萬噸，攜帶3000萬顆氫彈。經過連續脈衝爆炸可在10年內將飛船加速到300千米/秒。

1970年，美國內華達大學溫特伯格提出了用高能電子束引發核聚變。他設計的發動機每次核聚變可釋放出約100億焦的能量，可實現 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。利用核聚變反應產生的能量作能源的火箭，叫核聚變火箭。由於受控核聚變反應還在研究中，在過去的五十多年以及未來的二、三十年內人類能利用的核火箭是由核裂變反應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、核脈衝火箭、核衝壓火箭等。

核熱火箭是利用核裂變的熱能將工質加熱到很高的溫度，然後通過收縮擴張噴管加速到超音流而產生推力的火箭發動機系統。其工作原理與液體火箭發動機相似，所不同的是核熱火箭用核反應堆取代了液體火箭中的化學燃燒。圖1為核熱火箭的原理示意圖。

如圖中所示，工質氫流經反應堆后被加熱，再經收縮擴張噴管高速噴出。反應堆的控制棒用來對反應堆內中子流進行控制，當控制棒插入時，中子流減少；當控制棒抽出時，中子流增加。而自持鏈式裂變反應的實現取決於裂變產生的中子數與非裂變吸收及泄漏所消失的中子數之間的平衡。通常用有效增值係數 Keff（反應堆內某一代中子數與上一代中子數的比值）來反映。當時，稱為臨界狀態，即反應堆處於不同功率下穩定運行的工況；當時，稱為超臨界狀態，相當於啟動或升功率的過程；當時，稱為次臨界狀態，相當於停堆或降功率的過程。

核熱火箭具有推力大、比沖高、可多次啟動等優點。一般由反應堆、貯箱及渦輪泵系統、管路與冷卻系統以及噴管組件構成，反應堆的結構形式為高溫氣冷堆，包括燃料組件、支撐結構、慢化劑、控制棒或控制鼓、反射劑以及壓力艙。

核熱火箭通常採用氫氣作為工質兼冷卻劑。氫氣具有優良的導熱性能，在高溫低壓狀態下容易離解為原子氫，並吸收大量的熱量，其導熱性能可與金屬材料相媲美，是最好的冷卻介質之一，同時由於其分子量小而成為最優良的工質。

核熱火箭又可分為固體堆芯、液體堆芯、氣體堆芯以及液氧增強型核熱火箭。固體堆芯核熱火箭是指其反應堆為固體可裂變物質；液體堆芯核熱火箭是指其反應堆為液體可裂變物質；氣體核熱火箭是指其反應堆為氣體可裂變物質。

液氧增強核熱火箭 LANTR 以獨特的方式將常規液氫冷卻核熱火箭的高性能進行了進一步拓展。LANTR 使用噴管的大擴張段作為加力燃燒室，在這裡噴入氧氣，與來自發動機喉部被核反應堆加熱的氫進行超音速燃燒。在保持反應堆功率基本不變的情況下，通過調整氫氧混合比率LANTR 可以達到較大範圍的推力和等效比沖值。LANTR 的推力增強特性意味著使用更小型、更經濟、更容易測試的 NTR 發動機可以獲得“大發動機”的性能。

核電火箭是將核反應堆裂變能首先轉換為電能，為電火箭供電，然後由電火箭產生推力的推進系統。美國和俄羅斯也在開發推進與發電兩用的空間核反應堆動力系統。

這種火箭首先利用核熱火箭的高推重比使火箭脫離星球引力，同時也可減少火箭的飛行時間。然後轉為核電推進，再利用核電火箭的低推重比、高比沖在行星間飛行。該系統的電動力可以通過核熱轉換，同位素轉換或機械方式（渦輪發電）等將反應堆的裂變能轉換成電能。

核裂變碎片火箭是在核裂變過程中，產生的能量碎片從核反應堆高速逃逸，從而產生推力。當原子裂變時，所產生的“分裂碎片”速率達到光速的 3%，即約每秒 9 千公里。美國勞倫斯· 利弗莫爾國家實驗室的喬治· 哈普林等人設計了一種概念型的“分裂碎片”反應堆，可以控制這些高速粒子。該反應堆類似於圍繞一圓柱形塔旋轉的一疊“唱片”，每張“唱片”主要由石墨構成，石墨上覆蓋著鈈或鎇等放射性燃料。當這些燃料旋轉進入圓柱形塔時，與塔中的放射性物質產生可控鏈式裂變反應。而施加於反應堆上的強大磁場將“分裂碎片”束縛在一起向一個方向噴射 使火箭的速率能提高到約每秒 1.8 萬公里，也就是光速的 6%。

是指利用核彈爆炸來產生推力。核脈衝火箭將攜帶大量的低當量原子彈，一顆顆地拋在身後，然後引爆，火箭後面安裝一個推進盤，吸收爆炸的衝擊波推動火箭前進。

為核熱火箭設計合適的進氣道和排氣道，利用環境大氣作工質以取代通過管路從貯箱供給的推進劑，那麼核熱火箭就成了核衝壓火箭。

美國科學家詹姆斯·鮑威爾和喬治·梅茲宣稱。在10年內將開發出用於未來宇宙航行的探險飛船用的核發動機。美國馬歇爾太空飛行中心太空運輸研究室負責人約翰·科爾認為有許多美國科學家對核火箭的研製饒有興趣。核火箭無疑是未來飛行器的發展方向，也是解決宇宙航行動力問題的發展方向之一。

顯然，核火箭存在著很大的隱患。特別是核輻射對航天員健康可能造成威脅。因為核火箭飛船內的輻射量相當於航天員每天要做8次X線胸部透視，較長時間的作用會對航天員的身體造成嚴重的傷害。航天員返回地面后，肌肉量一般會減少30%，骨密度會下降。

高效核燃料鎇的出現，催生了宇宙航行的一種最新方案。由於鎇產生裂變反應的臨界狀態的質量只需鈾和鈈的1%。因此其裂變極易發生，而且一經發生就會持續下去，這樣就可以大大減少宇宙飛船需要攜帶的燃料，也就可以縮短宇宙飛行的時間。以從地球飛往火星為例。使用核子動力火箭飛行時間只需2個星期，而用化學燃料火箭飛行時間至少需要6－10個月。這種核火箭有望於2020年前後研製成功。

核火箭發動機用核燃料作能源，用液氫、液氦、液氨等作工質。核火箭發動機由裝在推力室中的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統和控制系統等組成。在核反應堆中，核能轉變成熱能以加熱工質，被加熱的工質經噴管膨脹加速后，以6500～11000米/秒的速度從噴口排出而產生推力。核火箭發動機的比沖高（250～1000秒）壽命長，但技術複雜，只適用於長期工作的航天器。這種發動機由於核輻射防護、排氣污染、反應堆控制，以及高效熱能交換器的設計等問題未能解決，仍處於試驗之中。