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  火箭核能热力推进系统           
火箭核能热力推进系统
∷∷ 中国大学https://www.unjs.com 作者:黑衣  ∷∷
[信息提供单位] 核工业总公司
[中文名称] 火箭核能热力推进系统
[英文名称] Nuclear Thermo-Propellant System Rocket
[定义]火箭核能热力推进系统是一套采用核能作为能源,实现火箭热力推进的系统,故有时也简称核火箭。核火箭除采用核反应堆实现核能热力推进外,尚可直接利用核裂变生产的能量与裂片,实现火箭推进。同样,轻核的热核聚变反应较之核裂变具有更大的能量潜力(氘和氚的混合物完全聚变时所释放的能量为等量铀完全裂变时放出能量的4.5倍),可用作大推力火箭的能源。物质的湮没是根据质能转换原理而产生能量的过程(例如正电子和负电子相遇时,正负电子本身消失,产生两个能量为0.511兆电子伏的光子),为设计光子火箭奠定了基础。各种核能推进系统的比冲远大于化学火箭,而且火箭的质量比也小得多。
火箭能热力推进系统相对常规火箭的化学推进系统,所表现出的特点是:
1.能量潜力巨大;
2.装置体积紧凑,不需空气或氧化剂;
3.工作寿命长。
美国早在第二次世界大战结束后不久,就由曼哈顿计划(原子弹研制计划)受到启发,提出核火箭是实现火箭热力推进的一种理想的方法。1955年美国制订了第一个核能热力推进计划,命名为“流浪者”(Rover)。该计划的主要目标是开发固体堆芯氢冷却的核火箭,以求取得载人火星探险的动力。这种系统主要由核反应堆能源,推进剂贮罐,以及涡轮泵等部分组。推进剂(通常为液态氢)经核反应堆加热至高温,然后通过喷管急剧膨胀。高热状态下的工质猛烈喷出为运载火箭及其有效载荷提供了强大推力。核火箭的推进剂可选用不同的工质。火箭发动机的比冲随喷射气体的分子量增大而减小,因此氢气是一种理想的推进剂,其分子量仅为2。为了保证一定体积的核火箭尽可能多地载带氢气推进剂,氢气一般以液态氢的形式贮存于深冷条件下的贮罐中。核火箭由于采用反应堆加热氢气而产生推力,其比冲高于化学火箭(约两倍),有助于缩短到火星的航行时间,从而保证载人飞行生命支持系统的可靠性,同时也有利于降低发射的初始质量。例如,就化学火箭而言,从地球表面的发射质量与到达逃逸地球速度的最终质量之比为15,而采用固体堆芯的核火箭,这一比值为3.2。
60年代初,美国原子能委员会(AEC)与美国航天局(NASA)核推进办公室承担了研制火箭飞行器用核发动机—NERVA(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)的任务。在全美核火箭开发计划(Rover计划的一部分)中,首先以研究堆(Kiwi)开始,主要是发展火箭核反应堆的工艺以及建立完整的设计概念。Rover/NERVA计划自1955年开始1973年结束(表1),共耗资15亿美元。1959年建立第一座反应堆。1961年选定工业合同单位,并开始反应堆在飞(in—flight)试验计划。在飞试验计划共持续两年,以后力量集中在发动机开发。
1969年当时的美国总统肯尼迪向世界宣布实现人类首次登陆月球是美国政府空间计划的一项首要任务。显然,一旦阿波罗登月计划完成后,各项空间计划,包括使用核火箭实现载人火星探险壮举就不再具有吸引力。1972年最后一次反应堆试验是在一座核炉(NF)系统中进行的。1973年核火箭计划结束。
然而据报道,空间核能热力推进计划处1992年转入空军后,由于国防预算减少,以及由于空军其他优先项目,目前几乎陷于停顿状态。这可能与国际局势的变化迫使美国对其军事战略目标进行调整有关。美国军方主张,为应付今后全球的突发事件,拥有数目较多而规模较小的空间军事装置是有利的,因而空间能源的开发应服从这一主要目标。而美国航天局一直主张并提出月球、火星、木星的探测计划。美国能源部也曾提出空间核能源的某些工业应用。现任总统克林顿曾公开宣布:“1994年财政年度预算削减了核反应堆的研究与发展经费和有关装置的经费,因为核反堆没有商业或其他确定的应用。”这再一次造成空间核能热力推进计划因缺乏政府支持而受到挫折。
前苏联在核能热力推进器的研制方面也有自己的一套研究计划。该计划可以追溯到1962年,其内容除开发核火箭发动机的研制外,还包括高温核燃料的研究。核火箭的推进系统是采用三元碳化物为核燃料、氢化锆为减速材料的反应堆系统。工作时该系统的涡轮泵将推进剂氢气(也可用氦、氙)从贮罐中泵出,流经反应堆冷却减速材料(氢化锆)与外部压力容器。受热推进剂驱动涡轮泵,再通过反应堆的燃料组件,达到高温,自喷管猛烈喷出,产生推力。
1962~1988期间前苏联曾对用于空间核能热力推进器的核燃料开展了大量研究与试验,认为最有前途的材料是碳化物与碳氮化物,如铀、锆、铌的混合碳化物因熔体(U,Zr,Nb)C以及铀与锆的碳氮化物(U,Zr)C,N。其中混合碳化物核燃料最高工作温度达到传热面积。这种燃料曾在最高温度3050K与功率密度30兆瓦/升下进行过流动氢气试验。据报道,1989年苏联因当时经济面临困难,而暂停向核火箭发动机提供研制经费。1991年苏联解体后,独联体(CIS)和俄罗斯虽然顺理章地继承了原先的火箭核能热力推进器的研制计划,然而日前的社会经济状况使计划实施更为困难。
美国核火箭计划(Rover/NERVA)大事记
1955年 经几年蕴酿后,决定在美国洛斯·阿拉莫斯国家研究所启动核火箭Rover项目。项目设计为固体堆芯,氢气冷却,反应堆膨胀气体通过火箭 喷管。
1959年6月  第一座反应堆试验,Kiwi—A堆在70兆瓦运行5分钟。
1960年10月 完成原理论证试验(Kiwi—A系列共3座反应堆)。
1961年7月  选择工业合同单位(航空喷气通用公司负责火箭发动机,西屋电力公司负责核反应堆),实施火箭开发阶段计划。开始核反应堆在飞(in—flight)试验(RIFT)计划。反应堆在飞计划中止。
1961~1964年 Kiwi—B系列1000兆瓦核反应堆试验,包括5座反应堆与几座不装核燃料的冷流反应堆,以解决振动问题,并验证设计功率。
1964年5~9月 Kiwi—B4D在设计功率下进行满功率试验,未出现堆芯振动,验证再启动的能力。
1964年9月  NRX—A2,开展第一批火箭飞行器用核发动机(NERVA)试验,达到满功率1100兆瓦运行5分钟。
1965年1月  kiwi—B型反应堆有意在高速瞬时的状态下自毁,以验证其安全性1965年6月 一种新刑反应堆原型Phoebus—1A在满功率状态下运行10.5分钟。
1966年3月 NRX/EST,第一台火箭发动机实验性动力装置满功率(1100兆瓦)运行13.5分钟。
1967年12月 火箭飞行器用核发动机系列中第5座载有核燃料的NRX反应堆在功率1100兆瓦运行60分钟,超过设计指标。 1968年6月  Phoebus—2A,迄今建成的功率最大的反应堆在功率超过4000兆瓦条件下运行12分钟。
1968年12月 Pewee在功率503兆瓦与温度2550K下运行40分钟,堆心功率密度2340兆瓦/米3,创下了功率密度与温度的新纪录。
1969年3月  第一台下方点火的核火箭发动机原型初级XE在功率1100兆瓦下成功运行。
1969年  推迟用于首次运载核发动机的土星5号运载火箭的生产。
1972年6月 在44兆瓦核炉(NF—1)中考验核燃料,峰值功率密度约为4500兆瓦/ 米3,温度达2500K,时间109分钟。
1973年1月 核火箭计划结束。计划中止的原因是美国国家计划的重点出现变化。该计划在技术上是成功的。

[影响] 美国50年代开始的火箭核能热力推进计划(Rover/NERVA),历时近20年。虽然该计划在技术取得了成功,然而却是国家空间计划重点转移的受害者。这一计划的成果为未来人类登上火星或飞越火星建造高效火箭积存了巨大的技术贮备。 人们早期曾对核火箭代替化学火箭寄予了巨大期望。这是因为各种尺寸大小相同的运载火箭中,核火箭可以保证发射更大的有效载荷进入空间。然而这一设想由于考虑到地球环境的安全因素而引起争论。大功率的核反应堆发射升空须具有绝对的安全性,否则可能危及人类生存的地球环境。目前一般认为,核火箭只有在地球以外的附近轨道启动或作为多级火箭的末级,才能避免因偶然失误而造成的潜在威胁。未来的设想是核火箭发动机将在不同地地球轨道间、地球轨道与空间站之间以及地球轨道与月球轨道之间往返执行输送有效载荷的任务。核火箭因具有较高有效荷载的能力,有可能进一步扩大航天活动向太阳系的其他行星及其卫星征伐与探索。 
1989年,美国总统布会曾拟定过一项长期民用空间计划:拓展人类生存的活动空间,超越地球范围进入太阳系。其中有一个长期目标就是要在2019年使人类登上火星。这种愿望将促使人们一次又一次地对诸如核能热力推进火箭一类的先进推进装置的兴趣。
核能热力推进火箭优于化学推进火箭是基于以下三个基本原因:
1.核能可以转化为火箭推进剂(单一物质)所需要的热能;
2.可采用低分子量推进剂,而无须化学物质燃烧所必备的氧化剂;
3.核燃料与化学燃料相比,能量潜力巨大。
[技术难点] 火箭核热力推进系统的核心是核反应堆。如何保证核反应堆的出口温度(因为火箭的比冲,即每单位质量推进剂所产生的推力正比于温度的平方根),以及延长反应堆的运行时间是开发火箭热力推进系统的关键。目前美国核火箭计划虽在技术上是成功的,但仅限于原型装置的地面试验,尚未经过空间运行的实地试验.


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