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[信息] 空天飞机、核动力飞船 未来太空任我行(图)

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发表于 2009-11-4 09:19:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
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核动力发动机
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核动力发动机
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  1957年10月4日,前苏联成功发射第一颗卫星,从此人类进入太空时代。人类探索的脚步迈向了更广袤的空间,必然地,人们对航天飞行器的性能也提出了更高的要求。阿波罗11号可以使人类在月球上留下足迹,“勇气号”和“机遇号”火星车能为人类传达“邻居”行星的信息,但这一切还是不能满足人们探索的欲望。于是,全新概念的、功能强大的飞行器将不断涌现出来。
    混合概念的空天飞机
    空天飞机是航空航天飞机的简称。顾名思义,它集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身,既能在大气层内作高超音速飞行,又能进入轨道运行,将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。与航天飞机相比,空天飞机多了一个在大气层中航空的功能,而且它起飞时也不使用火箭助推器。
    空天飞机的奥妙之处在于它的动力装置。这种动力装置既不同于飞机发动机,也不同于火箭发动机,这是一种混合配置的动力装置。它由空气喷气发动机和火箭喷气发动机两大部分组成,空气喷气发动机在前,火箭喷气发动机在后,串联成一体,为空天飞机提供动力。
    空天飞机可以在一般的大型飞机场上起落。起飞时空气喷气发动机先工作,这样可以充分利用大气中的氧,节省大量的氧化剂。飞到高空后,空气喷气发动机熄火,火箭喷气发动机开始工作,燃烧自身携带的燃烧剂和氧化剂。降落时,两个发动机的工作顺序同起飞时相反。
    当前,美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本、印度等国家都在积极发展高超音速推进等相关技术,积极为研制空天飞机作各项技术储备。美国航空航天局正在研制的“超级X”系列极超音速飞行器就属于空天飞机范畴。
    未来的空间作战飞行器可依靠自身的动力系统或由航天飞机送入轨道,能执行多种任务,如作为动能与定向能武器平台或侦察监视平台,部署、修理或破坏、回收军用小卫星等。其轨道机动能力很强,在轨道上可停留数周、数月乃至一年,并可随时应召返回地面,具有很强的战术应用能力。
    核动力飞船无限飞行
    美国国家航空航天局(N ASA)已经同意拨给美国洛克希德·马丁公司600万美元的研究经费,以便对由小型核反应堆驱动的跨行星探测飞船的建造进行理论研究。英国《独立报》6月 14日发表文章称,这意味着美国使用核动力太空船,来对太阳系其它行星进行勘探的愿望,离现实又近了一步。
    据报道,洛克希德·马丁公司的这个项目名叫“普罗米修斯项目”,普罗米休斯是希腊神话中为人类取得火种的神。“普罗米修斯项目”的重点是进行核动力研究,近期目标是提供足够的推动力,以便向木星的三个可能存在生命的卫星发射飞船。
    研究核动力的目的是为了打造一艘跨行星探测飞船。它不但能够进行广袤的太空飞行,而且还能在飞行后依然拥有足够的能源,以收集科学资料并发回地球。
    N ASA科学家认为,核动力是实现外层空间勘探的惟一可行的动力形式。这主要有两个原因。
    首先,虽然人类的探测飞船已经能够被发射至木星甚至更远的空间,但这些飞船的能量大都在飞行图中消耗殆尽,在抵达目的地后仅剩下相当于几个电灯泡的能源。这严重限制了飞船所能搜集的、并发回地球的资料。而小型的核反应堆所提供的动力,大致相当于太阳能的100倍。
    另外,由于太阳系外层的卫星和行星的阳光微弱,太阳能驱动的仪器在那里几乎完全失效。因此,NASA认为在探测这些外层空间时,必须使用核反应堆作为动力。
    理论上讲,只要核反应堆本身不出现故障,那么核动力飞船将可以在太空中无限制飞行下去。这除了因为核能源本身能够提供强大动力外,还考虑到飞船在外太空飞行所消耗的能量其实比早先估计的要少得多。因为,飞船的能量大多消耗在脱离地球引力和太阳引力的过程中。一旦飞船达到或超过第三宇宙速度,即16.7公里/秒,成功脱离了太阳系的束缚,就可以暂时取消动力能源供应,在真空中利用惯性保持原有速度飞行,只在克服新的星体引力或变换方向时才再次启动动力装置。
    来源:信息时报
 楼主| 发表于 2009-11-4 09:22:24 | 显示全部楼层
核动力发动机简介  

说到未来的宇航动力,人们恐怕首先会想到核动力,我们目前化学燃料的火箭推力太小,所以每次发射必须寻找合适的发射窗口,以便利用行星的引力来加速,使得它们能真正飞往宇宙深处,到目前为止,人类发射的所有深空探测器没有一个不利用行星的引力。这自然是个聪明的办法,但是毕竟只是无奈的变通方式,很消耗时间,而且受到的航线限制太多。安装核动力的飞船和探测器由于推力强大,就不必利用行星的引力,更不必在航线的限制上操心过多。


  但是核动力发动机的研制并不像想象得那样简单,现在的火箭发动机依靠的是喷射燃料燃烧后的气体,根据动量守恒定理,火箭自身将受到推力。然而核动力发动机的问题就在这里,即没有可供喷射的物质。这样即便核动力发动机能产生巨大的能量,也不能为火箭箭体本身提供动量,能量只能作为热辐射浪费掉。

核动力发动机利用方式  对于核动力的利用方式有3种:

  1、利用核反应堆的热能

  2、直接利用来自反应堆的高能粒子

  3、利用核弹爆炸

  利用反应堆的热量是最简单也是最明显的方式,核动力航空母舰和核潜艇都是利用核裂变反应堆的动力来推动螺旋桨,只不过太空没有水或者空气这种介质,不能采用螺旋桨而必须利用喷气的方式。但方法仍很简单,反应堆中核子的裂变或者聚变产生大量热能,我们将推进剂(很可能采用液态氢)注入,推进剂会受热迅速膨胀,然后从发动机尾部高速喷出,产生推力。其结构如上图所示,推进剂从左侧注入,中间加热,右侧喷出。

核动力发动机结构  而这具体又分多种类型,其中核裂变发动机分以下4种类型:

  1) 固体核心核发动机:在这种发动机中,推进剂受固体燃料核心加热,估计比冲量能达到大约800秒;

  2) 粒子床(Particle Bed)核发动机:在这样的发动机中,液体推进剂被泵入核燃料里面,这种方式能达到很高的热量,使得比冲量能达到大约1,000秒,推重比超过1;

  3) 液体核心核发动机:这个办法是使用液态的核裂变燃料,由于不必操心裂变物质的熔点,所以能达到更高温度从而获得更大的优势,比冲量能达到大约1,500秒,推重比超过1;

  4) 气体核心核发动机:这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发,在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质,从而达到最高的可能温度,安装一个冷却系统后,比冲量能够达到7,000秒。

核动力发动机推进  利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料,但必须携带许多液体推进剂,结果许多节省的重量都被消耗掉了,获得的好处没剩多少。由于核反应的时候能够产生许多高能粒子,所以第二种方式就是直接利用来自反应堆的粒子,从而不必携带推进剂。

  这些高能粒子移动速度非常快,我们当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂的热运动速度增大从而获得推力,而这里我们已经有了这样的高速运动物质。而且这些高能粒子是离子态的,从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。事实上,这种磁场控制方式已经在我后边要介绍的离子发动机上使用了。

  利用这种方式,可以达到极高的比冲量——1百万秒!这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务,甚至进行恒星际飞行。

  不过,这种发动机可不象前面介绍的那些那么容易制造,而且可能非常昂贵,有可能需要一个很大很重的反应装置,或者一个利用多阶段反应(后一个阶段利用前一阶段产物)的小一些的反应装置。

  第三种方式是一个大胆而疯狂的方式,不再是利用受控的核反应,而是利用核爆炸来推动飞船,这已经不是一种发动机了,它被称为核脉冲火箭(nuclear pulse rocket)。这种飞船将携带大量的低当量原子弹,一颗颗地抛在身后,然后引爆,飞船后面安装一个推进盘,吸收爆炸的冲击***动飞船前进。

  这种看似天方夜谭的方式却是被美国政府实实在在考虑过的计划,这个在1955年被以猎户座计划(Project Orion)命名的项目,希望建造一个简单,承载大,而且在资金上能够建造得起的飞船。这个项目最初计划在地面直接起飞,可能就在内华达的核武器试验场Jackass Flats,这个飞船的样子象主教冠或者子弹头,16层楼高(AzureFlame注:国内媒体把sixteen和sixty弄混淆了,居然说有60层楼高),后面的推进盘直径135英尺(41米多)。发射台包括八个发射塔,每个250英尺高(76.2米)。起飞飞船质量是1万吨,和普通的化学火箭不同,这些质量中大部分都将进入轨道。飞船起飞时爆炸的原子弹当量为0.1千吨(注意,100吨TNT当量爆炸产生的推动力可远不只100吨),每1秒钟就抛出一个,而当飞船加快到一定速度后,将下降到每10秒爆炸一枚2万吨当量的原子弹。起飞方式被设计为竖直向上飞行,而不是象普通化学火箭这样到一定高度就倾斜飞行。这样飞的目的是把放射性污染集中到一个小区域内。最初计划携带2千颗原子弹,利用它把宇航员于1965年送往火星,1970年送到土星。船上可以装载150人,以及数千吨的载重,使得他们生活相对很舒适。这种飞船可以建造得象战列舰一样,而不必象化学动力飞船那样过分考虑重量。飞船上还将携带一些小的化学动力飞船,用来在行星或者卫星上着陆并重新返回猎户座飞船。

  原子弹并非直接作用于推进盘上,在释放放出原子弹后,接着再释放出一些由塑料制成的固体圆盘(当时倾向于聚乙烯),当飞船驶出一定距离,原子弹将在飞船后面200英尺处爆炸,蒸发掉塑料圆盘,将其转化成高热的等离子浆。由于塑料盘位于原子弹和飞船之间,等离子浆中相当部分将会追上飞船,撞击太空飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空飞船高速行驶。理论上比冲量可以达到1万到1百万秒。

  之所以选择塑料是因为塑料对核爆炸产生的中子的吸收效果好,也就是说它同瞬间的辐射能配合得非常好,它将分解成轻原子比如氢和碳并以高速运动。由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现,瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,甚至可以忽略不计,没必要设计专门的冷却系统,并且普通的铝和钢就足以成为制造金属推进盘的耐久材料。

  对于推进盘承受的压力进行计算发现,瞬间的推力将过于巨大从而超过人体承受能力,因此,飞船上还在推进盘和前部船体之间安装了一个震动吸收系统,脉冲能量将被暂时储存在吸收系统中然后逐步释放出来,这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡,能够比较平稳地飞行。

核动力发动机相关研究  事实上,美国科学家已经围绕这个计划做了许多实验,而且已经证明这个计划是可行的。1959年11月进行了一次100米高度的飞行,共爆炸6枚化学炸弹。这次实验证明脉冲飞行是可以稳定进行的。

  然而,这个设想却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力,当它飞出大气层时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划后来胎死腹中的原因之一。在1963年美苏签定禁止大气层核试验条约之后,猎户座计划研究于1965年终止。

  猎户座飞船

  


  不过,这项计划终究有其吸引人之处,它完全可以胜任以万吨飞船再携带万吨载重前往远方行星的重任,按照当初的计划,猎户座太空飞船只需125天就能往返火星。而且现代的技术发展又为其提供了新的可能,中子弹可以以低辐射的方式来发射大量中子,对塑料盘产生作用;而最近对X射线激光的研究则可以用于将辐射集中于朝向飞船的方向,从而更加高效利用能量。支持它的科学家甚至计算过,最少可以用50亿美元建造一个飞船并把1万吨的东西带上太空,这样,每磅物品的运送花费仅仅是250美元,而使用航天飞机则达到5千到6千美元。随着对猎户座计划的热情重新涨起,也许有一天这个计划会重新复活。

  核聚变

  


  核裂变发动机在核心制造方面没有太大的技术困难,但核聚变发动机则不同,首先需要解决受控核聚变的问题。我们目前的技术尚无法让轻核在常温下发生聚变,氢弹是用原子弹爆炸产生的高温来解决问题,但我们总不能在飞船内部爆炸原子弹吧。
 楼主| 发表于 2009-11-4 09:26:55 | 显示全部楼层
解决聚变问题的主要思路有三种:

  1) 磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion,简称MCF),也被叫做持续性聚变(continuous fusion),是将核燃料变成数百万度的高温等离子浆,从而使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用非常强大的磁场来束缚它们,否则离子浆将融化任何束缚它们的容器。不过目前的技术还维持不了足够的时间来使它们产生反应。

  2) 惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF),也被称作脉冲性聚变(pulsed fusion),利用激光或者粒子束来照射小燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高1万亿倍的离子浆,从而产生聚变。由于这种反应时间非常快,不必要强磁场束缚它们,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应。

  3) μ介子催化聚变(Muon-Catalysed Fusion),μ介子是一种带负电,质量为电子207倍的基本粒子,寿命2.20微秒。由于它的质量比电子大许多,所以能够同原子核更接近,而它带的负电可以屏蔽原子核的正电,使得原子核之间的斥力减小,能够更接近,这样,就不需要严格的超高温或者体积限制。不过这种方式在目前的技术上还难以突破,很难让μ介子进入原子核周围的轨道,而且它的寿命太短暂,所以以它为催化剂的聚变必须非常快才行,此外目前制造μ介子的代价也过于昂贵。

  目前受控核聚变还是可以进行的,只不过用在发电方面是得不偿失,因为输入的能量远大于输出的能量。但宇航并不需要计较什么输出能量的大小,所以只要技术发展到输入的能量和输出能量大小不差异太大的话,受控核聚变完全可以在太空旅行中首先使用。那么,就考虑一下这三种方式的前景吧:

  1) 磁约束聚变发动机。磁约束聚变有可能是发电的最佳方式,但在宇航方面很可能就不理想了,倒不是因为我们必须发明离子浆方向控制系统,而是因为必须安装一个磁场产生装置,而且可能还很大,而且这种方式下的离子浆密度低,意味着必须发动机必须造得很大。不过我们还要看看未来的发展如何。

  2) 惯性约束聚变发动机。和猎户座计划一样,这个方案是直接利用核爆炸,但这个方案是在船体内部爆炸,在尾部推进舱内使用激光或者粒子束来引爆小燃料球,每秒要引爆30到250个。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大气的地球上具有明显的好处,不受大气分子的干扰。相对来说,这个方案是最可行的,不过,很显然这种方式也要安装别的设施,比如激光器或者粒子束发生器,并且需要给它们提供能量,尽管这个方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。

  也有一些规避方案,比如:

  * 把激光器安在地球轨道上,然后飞船用一个很轻的光学系统来收集照射过来的激光并用于引爆,这样可以让飞船飞得很快,大概60天就能来回土星,不过看起来这个主意并不怎么好;

  * 使用高聚能物质(high energy density matter,简称HEDM,后面将有介绍)替代激光,象原子弹里化学炸药的冲力引爆核燃料一样来引发聚变,不过高聚能物质也有其自己的问题,后面会讲到。

  * 使用动态启动器('kinematic' drivers)来替代激光,可以把高聚能物质的作用想象成一个高速大锤,不过能否真达到足够的速度让人怀疑;

  * 一个大胆的建议是从地球轨道上高速发射小燃料球,然后飞船发射东西高速撞击它们以引爆,但很显然这个对接难度过大了;

  * 最后我们还可以利用反物质反应和核聚变结合,用湮灭来引发聚变,这样,我们可以用很轻的发动机系统来获得高效率,不过反物质的麻烦也很多,后面会提到。

  3) μ介子催化聚变发动机。这个方案也不太适合宇航,因为μ介子寿命极短,这意味着我们必须在飞船上安装μ介子制造器,从而增加重量,把不需要磁场产生装置和激光器的好处都抵消掉了。而且以目前的技术制造μ介子需要的能量太大,有这能量还不如直接发动飞船。有人提出可以利用真空零点能(Zero Point Energy,我后面会介绍),但那毕竟是一个没有证明的东西。

  不论使用什么方式,都需要发明一个磁场限制装置来保护飞船的喷口,否则高热的离子会很快把喷口融掉。

  有趣的是,也存在一个聚变版本的猎户座计划,它就是英国的代达罗斯计划(Project Daedalus),以希腊神话中那位用蜡和羽毛给自己和儿子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。

  代达罗斯计划

  


  英国星际学会(British Interplanetary Society)在上世纪70年代重新回顾了猎户座计划,并提出代达罗斯计划,只不过以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star,是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器,并用50年的时间到达那里。

  代达罗斯恒星际探测器的运转场景

  这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸,而是内部的发动机,在一个磁场构筑的“燃烧室”中,向小燃料球照射发射电子束,产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。

  代达罗斯探测器的外形

  


  探测飞船的质量为5.4万吨,其中推进装置重量是5万吨,预计经过持续4年的加速后,可以达到光速的1/8。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的,设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的,我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力,而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。

  总的来说,核裂变发动机是相当现实的东西,而核聚变发动机则基本偏向科幻,需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺,而用于核聚变的氘和氚却很多,在近处的月球上尤其丰富。此外,核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景,其方式是利用氢核(质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应,虽然反应困难而且产生的能量小,但不产生γ射线和中子,只产生α粒子,可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。

  比冲量”(specific impulse):“比冲量”是动力学家衡量火箭引擎效率的一种标准量,它是火箭产生的推力乘以工作时间再除以消耗掉的总燃料质量。如果力和质量都用千克,比冲量的单位就是秒。可以理解为火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。

  比冲量越高,火箭的总动力越大,最终的速度越快,典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒,液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒。
过去核动力。没有在航天飞机上的应用。是因为她的安全措施。未有保障。
 楼主| 发表于 2009-11-4 09:30:06 | 显示全部楼层
[编辑本段]核动力发动机结构
  而这具体又分多种类型,其中核裂变发动机分以下4种类型:
  1) 固体核心核发动机:在这种发动机中,推进剂受固体燃料核心加热,估计比冲量能达到大约800秒;
  2) 粒子床(Particle Bed)核发动机:在这样的发动机中,液体推进剂被泵入核燃料里面,这种方式能达到很高的热量,使得比冲量能达到大约1,000秒,推重比超过1;
  3) 液体核心核发动机:这个办法是使用液态的核裂变燃料,由于不必操心裂变物质的熔点,所以能达到更高温度从而获得更大的优势,比冲量能达到大约1,500秒,推重比超过1;
  4) 气体核心核发动机:这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发,在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质,从而达到最高的可能温度,安装一个冷却系统后,比冲量能够达到7,000秒。
[编辑本段]核动力发动机推进
  利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料,但必须携带许多液体推进剂,结果许多节省的重量都被消耗掉了,获得的好处没剩多少。由于核反应的时候能够产生许多高能粒子,所以第二种方式就是直接利用来自反应堆的粒子,从而不必携带推进剂。
  这些高能粒子移动速度非常快,我们当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂的热运动速度增大从而获得推力,而这里我们已经有了这样的高速运动物质。而且这些高能粒子是离子态的,从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。事实上,这种磁场控制方式已经在我后边要介绍的离子发动机上使用了。
  利用这种方式,可以达到极高的比冲量——1百万秒!这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务,甚至进行恒星际飞行。
  不过,这种发动机可不象前面介绍的那些那么容易制造,而且可能非常昂贵,有可能需要一个很大很重的反应装置,或者一个利用多阶段反应(后一个阶段利用前一阶段产物)的小一些的反应装置。
  第三种方式是一个大胆而疯狂的方式,不再是利用受控的核反应,而是利用核爆炸来推动飞船,这已经不是一种发动机了,它被称为核脉冲火箭(nuclear pulse rocket)。这种飞船将携带大量的低当量原子弹,一颗颗地抛在身后,然后引爆,飞船后面安装一个推进盘,吸收爆炸的冲击***动飞船前进。
  这种看似天方夜谭的方式却是被美国政府实实在在考虑过的计划,这个在1955年被以猎户座计划(Project Orion)命名的项目,希望建造一个简单,承载大,而且在资金上能够建造得起的飞船。这个项目最初计划在地面直接起飞,可能就在内华达的核武器试验场Jackass Flats,这个飞船的样子象主教冠或者子弹头,16层楼高(AzureFlame注:国内媒体把sixteen和sixty弄混淆了,居然说有60层楼高),后面的推进盘直径135英尺(41米多)。发射台包括八个发射塔,每个250英尺高(76.2米)。起飞飞船质量是1万吨,和普通的化学火箭不同,这些质量中大部分都将进入轨道。飞船起飞时爆炸的原子弹当量为0.1千吨(注意,100吨TNT当量爆炸产生的推动力可远不只100吨),每1秒钟就抛出一个,而当飞船加快到一定速度后,将下降到每10秒爆炸一枚2万吨当量的原子弹。起飞方式被设计为竖直向上飞行,而不是象普通化学火箭这样到一定高度就倾斜飞行。这样飞的目的是把放射性污染集中到一个小区域内。最初计划携带2千颗原子弹,利用它把宇航员于1965年送往火星,1970年送到土星。船上可以装载150人,以及数千吨的载重,使得他们生活相对很舒适。这种飞船可以建造得象战列舰一样,而不必象化学动力飞船那样过分考虑重量。飞船上还将携带一些小的化学动力飞船,用来在行星或者卫星上着陆并重新返回猎户座飞船。
  原子弹并非直接作用于推进盘上,在释放放出原子弹后,接着再释放出一些由塑料制成的固体圆盘(当时倾向于聚乙烯),当飞船驶出一定距离,原子弹将在飞船后面200英尺处爆炸,蒸发掉塑料圆盘,将其转化成高热的等离子浆。由于塑料盘位于原子弹和飞船之间,等离子浆中相当部分将会追上飞船,撞击太空飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空飞船高速行驶。理论上比冲量可以达到1万到1百万秒。
  之所以选择塑料是因为塑料对核爆炸产生的中子的吸收效果好,也就是说它同瞬间的辐射能配合得非常好,它将分解成轻原子比如氢和碳并以高速运动。由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现,瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,甚至可以忽略不计,没必要设计专门的冷却系统,并且普通的铝和钢就足以成为制造金属推进盘的耐久材料。
  对于推进盘承受的压力进行计算发现,瞬间的推力将过于巨大从而超过人体承受能力,因此,飞船上还在推进盘和前部船体之间安装了一个震动吸收系统,脉冲能量将被暂时储存在吸收系统中然后逐步释放出来,这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡,能够比较平稳地飞行。
[编辑本段]核动力发动机相关研究
  事实上,美国科学家已经围绕这个计划做了许多实验,而且已经证明这个计划是可行的。1959年11月进行了一次100米高度的飞行,共爆炸6枚化学炸弹。这次实验证明脉冲飞行是可以稳定进行的。
  然而,这个设想却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力,当它飞出大气层时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划后来胎死腹中的原因之一。在1963年美苏签定禁止大气层核试验条约之后,猎户座计划研究于1965年终止。
  猎户座飞船
  
  不过,这项计划终究有其吸引人之处,它完全可以胜任以万吨飞船再携带万吨载重前往远方行星的重任,按照当初的计划,猎户座太空飞船只需125天就能往返火星。而且现代的技术发展又为其提供了新的可能,中子弹可以以低辐射的方式来发射大量中子,对塑料盘产生作用;而最近对X射线激光的研究则可以用于将辐射集中于朝向飞船的方向,从而更加高效利用能量。支持它的科学家甚至计算过,最少可以用50亿美元建造一个飞船并把1万吨的东西带上太空,这样,每磅物品的运送花费仅仅是250美元,而使用航天飞机则达到5千到6千美元。随着对猎户座计划的热情重新涨起,也许有一天这个计划会重新复活。
 楼主| 发表于 2009-11-4 09:33:33 | 显示全部楼层
核动力发动机结构  而这具体又分多种类型,其中核裂变发动机分以下4种类型:

  1) 固体核心核发动机:在这种发动机中,推进剂受固体燃料核心加热,估计比冲量能达到大约800秒;

  2) 粒子床(Particle Bed)核发动机:在这样的发动机中,液体推进剂被泵入核燃料里面,这种方式能达到很高的热量,使得比冲量能达到大约1,000秒,推重比超过1;

  3) 液体核心核发动机:这个办法是使用液态的核裂变燃料,由于不必操心裂变物质的熔点,所以能达到更高温度从而获得更大的优势,比冲量能达到大约1,500秒,推重比超过1;

  4) 气体核心核发动机:这种情况下我们不用再操心裂变物质的蒸发,在这个系统中推进剂流经等离子态的裂变物质,从而达到最高的可能温度,安装一个冷却系统后,比冲量能够达到7,000秒。

核动力发动机推进  利用反应堆的热量这种办法虽然节省了燃料,但必须携带许多液体推进剂,结果许多节省的重量都被消耗掉了,获得的好处没剩多少。由于核反应的时候能够产生许多高能粒子,所以第二种方式就是直接利用来自反应堆的粒子,从而不必携带推进剂。

  这些高能粒子移动速度非常快,我们当初用反应堆加热推进剂就是为了让推进剂的热运动速度增大从而获得推力,而这里我们已经有了这样的高速运动物质。而且这些高能粒子是离子态的,从而可以使用磁场来控制它们的喷射方向。事实上,这种磁场控制方式已经在我后边要介绍的离子发动机上使用了。

  利用这种方式,可以达到极高的比冲量——1百万秒!这样的发动机能够提供高推力使飞船或者探测器完成行星际任务,甚至进行恒星际飞行。

  不过,这种发动机可不象前面介绍的那些那么容易制造,而且可能非常昂贵,有可能需要一个很大很重的反应装置,或者一个利用多阶段反应(后一个阶段利用前一阶段产物)的小一些的反应装置。

  第三种方式是一个大胆而疯狂的方式,不再是利用受控的核反应,而是利用核爆炸来推动飞船,这已经不是一种发动机了,它被称为核脉冲火箭(nuclear pulse rocket)。这种飞船将携带大量的低当量原子弹,一颗颗地抛在身后,然后引爆,飞船后面安装一个推进盘,吸收爆炸的冲击***动飞船前进。

  这种看似天方夜谭的方式却是被美国政府实实在在考虑过的计划,这个在1955年被以猎户座计划(Project Orion)命名的项目,希望建造一个简单,承载大,而且在资金上能够建造得起的飞船。这个项目最初计划在地面直接起飞,可能就在内华达的核武器试验场Jackass Flats,这个飞船的样子象主教冠或者子弹头,16层楼高(AzureFlame注:国内媒体把sixteen和sixty弄混淆了,居然说有60层楼高),后面的推进盘直径135英尺(41米多)。发射台包括八个发射塔,每个250英尺高(76.2米)。起飞飞船质量是1万吨,和普通的化学火箭不同,这些质量中大部分都将进入轨道。飞船起飞时爆炸的原子弹当量为0.1千吨(注意,100吨TNT当量爆炸产生的推动力可远不只100吨),每1秒钟就抛出一个,而当飞船加快到一定速度后,将下降到每10秒爆炸一枚2万吨当量的原子弹。起飞方式被设计为竖直向上飞行,而不是象普通化学火箭这样到一定高度就倾斜飞行。这样飞的目的是把放射性污染集中到一个小区域内。最初计划携带2千颗原子弹,利用它把宇航员于1965年送往火星,1970年送到土星。船上可以装载150人,以及数千吨的载重,使得他们生活相对很舒适。这种飞船可以建造得象战列舰一样,而不必象化学动力飞船那样过分考虑重量。飞船上还将携带一些小的化学动力飞船,用来在行星或者卫星上着陆并重新返回猎户座飞船。

  原子弹并非直接作用于推进盘上,在释放放出原子弹后,接着再释放出一些由塑料制成的固体圆盘(当时倾向于聚乙烯),当飞船驶出一定距离,原子弹将在飞船后面200英尺处爆炸,蒸发掉塑料圆盘,将其转化成高热的等离子浆。由于塑料盘位于原子弹和飞船之间,等离子浆中相当部分将会追上飞船,撞击太空飞船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空飞船高速行驶。理论上比冲量可以达到1万到1百万秒。

  之所以选择塑料是因为塑料对核爆炸产生的中子的吸收效果好,也就是说它同瞬间的辐射能配合得非常好,它将分解成轻原子比如氢和碳并以高速运动。由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现,瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,甚至可以忽略不计,没必要设计专门的冷却系统,并且普通的铝和钢就足以成为制造金属推进盘的耐久材料。

  对于推进盘承受的压力进行计算发现,瞬间的推力将过于巨大从而超过人体承受能力,因此,飞船上还在推进盘和前部船体之间安装了一个震动吸收系统,脉冲能量将被暂时储存在吸收系统中然后逐步释放出来,这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡,能够比较平稳地飞行。

核动力发动机相关研究  事实上,美国科学家已经围绕这个计划做了许多实验,而且已经证明这个计划是可行的。1959年11月进行了一次100米高度的飞行,共爆炸6枚化学炸弹。这次实验证明脉冲飞行是可以稳定进行的。

  然而,这个设想却有一个最大的弱点,那就是它依赖于原子弹爆炸做动力,当它飞出大气层时,必将释放出核辐射尘污染地球环境。这也正是猎户座计划后来胎死腹中的原因之一。在1963年美苏签定禁止大气层核试验条约之后,猎户座计划研究于1965年终止。

  猎户座飞船

  


  不过,这项计划终究有其吸引人之处,它完全可以胜任以万吨飞船再携带万吨载重前往远方行星的重任,按照当初的计划,猎户座太空飞船只需125天就能往返火星。而且现代的技术发展又为其提供了新的可能,中子弹可以以低辐射的方式来发射大量中子,对塑料盘产生作用;而最近对X射线激光的研究则可以用于将辐射集中于朝向飞船的方向,从而更加高效利用能量。支持它的科学家甚至计算过,最少可以用50亿美元建造一个飞船并把1万吨的东西带上太空,这样,每磅物品的运送花费仅仅是250美元,而使用航天飞机则达到5千到6千美元。随着对猎户座计划的热情重新涨起,也许有一天这个计划会重新复活。

  核聚变

  


  核裂变发动机在核心制造方面没有太大的技术困难,但核聚变发动机则不同,首先需要解决受控核聚变的问题。我们目前的技术尚无法让轻核在常温下发生聚变,氢弹是用原子弹爆炸产生的高温来解决问题,但我们总不能在飞船内部爆炸原子弹吧。

  解决聚变问题的主要思路有三种:

  1) 磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion,简称MCF),也被叫做持续性聚变(continuous fusion),是将核燃料变成数百万度的高温等离子浆,从而使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用非常强大的磁场来束缚它们,否则离子浆将融化任何束缚它们的容器。不过目前的技术还维持不了足够的时间来使它们产生反应。

  2) 惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,简称ICF),也被称作脉冲性聚变(pulsed fusion),利用激光或者粒子束来照射小燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高1万亿倍的离子浆,从而产生聚变。由于这种反应时间非常快,不必要强磁场束缚它们,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应。

  3) μ介子催化聚变(Muon-Catalysed Fusion),μ介子是一种带负电,质量为电子207倍的基本粒子,寿命2.20微秒。由于它的质量比电子大许多,所以能够同原子核更接近,而它带的负电可以屏蔽原子核的正电,使得原子核之间的斥力减小,能够更接近,这样,就不需要严格的超高温或者体积限制。不过这种方式在目前的技术上还难以突破,很难让μ介子进入原子核周围的轨道,而且它的寿命太短暂,所以以它为催化剂的聚变必须非常快才行,此外目前制造μ介子的代价也过于昂贵。

  目前受控核聚变还是可以进行的,只不过用在发电方面是得不偿失,因为输入的能量远大于输出的能量。但宇航并不需要计较什么输出能量的大小,所以只要技术发展到输入的能量和输出能量大小不差异太大的话,受控核聚变完全可以在太空旅行中首先使用。那么,就考虑一下这三种方式的前景吧:

  1) 磁约束聚变发动机。磁约束聚变有可能是发电的最佳方式,但在宇航方面很可能就不理想了,倒不是因为我们必须发明离子浆方向控制系统,而是因为必须安装一个磁场产生装置,而且可能还很大,而且这种方式下的离子浆密度低,意味着必须发动机必须造得很大。不过我们还要看看未来的发展如何。

  2) 惯性约束聚变发动机。和猎户座计划一样,这个方案是直接利用核爆炸,但这个方案是在船体内部爆炸,在尾部推进舱内使用激光或者粒子束来引爆小燃料球,每秒要引爆30到250个。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大气的地球上具有明显的好处,不受大气分子的干扰。相对来说,这个方案是最可行的,不过,很显然这种方式也要安装别的设施,比如激光器或者粒子束发生器,并且需要给它们提供能量,尽管这个方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。

  也有一些规避方案,比如:

  * 把激光器安在地球轨道上,然后飞船用一个很轻的光学系统来收集照射过来的激光并用于引爆,这样可以让飞船飞得很快,大概60天就能来回土星,不过看起来这个主意并不怎么好;

  * 使用高聚能物质(high energy density matter,简称HEDM,后面将有介绍)替代激光,象原子弹里化学炸药的冲力引爆核燃料一样来引发聚变,不过高聚能物质也有其自己的问题,后面会讲到。

  * 使用动态启动器('kinematic' drivers)来替代激光,可以把高聚能物质的作用想象成一个高速大锤,不过能否真达到足够的速度让人怀疑;

  * 一个大胆的建议是从地球轨道上高速发射小燃料球,然后飞船发射东西高速撞击它们以引爆,但很显然这个对接难度过大了;

  * 最后我们还可以利用反物质反应和核聚变结合,用湮灭来引发聚变,这样,我们可以用很轻的发动机系统来获得高效率,不过反物质的麻烦也很多,后面会提到。

  3) μ介子催化聚变发动机。这个方案也不太适合宇航,因为μ介子寿命极短,这意味着我们必须在飞船上安装μ介子制造器,从而增加重量,把不需要磁场产生装置和激光器的好处都抵消掉了。而且以目前的技术制造μ介子需要的能量太大,有这能量还不如直接发动飞船。有人提出可以利用真空零点能(Zero Point Energy,我后面会介绍),但那毕竟是一个没有证明的东西。

  不论使用什么方式,都需要发明一个磁场限制装置来保护飞船的喷口,否则高热的离子会很快把喷口融掉。

  有趣的是,也存在一个聚变版本的猎户座计划,它就是英国的代达罗斯计划(Project Daedalus),以希腊神话中那位用蜡和羽毛给自己和儿子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。

  代达罗斯计划

  


  英国星际学会(British Interplanetary Society)在上世纪70年代重新回顾了猎户座计划,并提出代达罗斯计划,只不过以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star,是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器,并用50年的时间到达那里。

  代达罗斯恒星际探测器的运转场景

  这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸,而是内部的发动机,在一个磁场构筑的“燃烧室”中,向小燃料球照射发射电子束,产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。

  代达罗斯探测器的外形

  


  探测飞船的质量为5.4万吨,其中推进装置重量是5万吨,预计经过持续4年的加速后,可以达到光速的1/8。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的,设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的,我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力,而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。
 楼主| 发表于 2009-11-4 09:35:15 | 显示全部楼层
总的来说,核裂变发动机是相当现实的东西,而核聚变发动机则基本偏向科幻,需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺,而用于核聚变的氘和氚却很多,在近处的月球上尤其丰富。此外,核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景,其方式是利用氢核(质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应,虽然反应困难而且产生的能量小,但不产生γ射线和中子,只产生α粒子,可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。
  比冲量”(specific impulse):“比冲量”是动力学家衡量火箭引擎效率的一种标准量,它是火箭产生的推力乘以工作时间再除以消耗掉的总燃料质量。如果力和质量都用千克,比冲量的单位就是秒。可以理解为火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。
  比冲量越高,火箭的总动力越大,最终的速度越快,典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒,液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒。
发表于 2009-11-16 16:19:01 | 显示全部楼层
看图片,果然有俄罗斯火箭的风格
发表于 2009-12-27 03:07:11 | 显示全部楼层
谢谢楼主提供的资料,学习了。
发表于 2016-12-25 09:25:15 | 显示全部楼层
到时候核污染无处不在
发表于 2017-2-27 14:43:11 | 显示全部楼层
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