可以建造核动力火箭吗？有什么技术上的难点?

海盗_先生

可以建造核动力火箭吗？有什么技术上的难点?

没有驾照的司机

核动力飞船必然是未来航天事业的大趋势。
除了核反应本身的技术之外，将核动力应用到飞船上，也是一个巨大的技术难点。
1、是利用喷气的方式。
将推进剂注入核反应堆，核反应堆产生的大量热能，使推进剂急速膨胀，然后从发动机尾部高速喷出，进而产生强大推力。
这种方式相对比较容易实现，但是效果是最差的。
2、是利用磁场，来控制核反应堆中，产生的高速移动离子的喷射方向，使它们从火箭尾部喷射出去。
给火箭或者飞船施加反冲力，进行反冲运动。
这种方式不需要携带任何介质，就可以获得非常大的推动比，而且推力和持续性都十足强大。
3、比较激进的核爆炸方式。
使用核爆炸做推动的核动力飞船，叫做核脉冲宇宙飞船
在飞船的尾部，安装有推进盘，不断向后抛出低当量的原子弹，或氢弹等，并将之引爆。

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现代火箭的原理都是工质型，通过向后喷射工质来获得推力，采用化学燃料就有个天然优势是燃烧可以产生足够的气体作为工质推进，但是核反应驱动就要额外能量循环系统和喷射系统，工艺要更复杂，成本更高，也更难控制。而且人类现在对于核反应的控制还很粗糙，本质上和钻木取火差不多，这时将其用于高精度的火箭发射，也有控制和技术上的不确定性。

异乡人

技术上的难点是同样推力的巨型火箭以入轨能力（LED能力）达到100T的标准来看，地球人从古至今才美国与前苏联拥有过，如果换成核动力不管是核热力还是核脉冲方式都将是极其严酷的工程挑战。别看上面一堆图片，人类历史上核动力火箭方案确实不少，能够实现的已经实现的或者未来可以预见会实现的真心一个都没有，最多也就0.5个那种纸上谈兵的程度。可不可以与实际能不能实现还存在着巨大的鸿沟。不谈技术只谈政治许可的话，核动力光这个带着“核能”字样的航天项目就足够普选国的民众和政客们大做文章了，当然少不了环保人士甚至各路圣母来凑热闹。
航天工程这种凝结人类智慧的超级工程并不是亚非拉随便找30个国家捆一块儿就可以人多力量大出奇迹的事情。要说核动力火箭的话，当今世界可以预见未来20年内来算的话也就美俄存在理论上的可能性，其他国家不管是1.5梯队的东方强国还是欧盟一帮朋友包括日本可能连个核动力火箭的可行性研究报告都勉强凑出来至于要转化为现实生产力实在是难以接受。
核热力比核脉冲难度一样不少甚至更坑，只看核脉冲的话全世界搜起来也就五常加以色列，印度，巴基斯坦，朝鲜和曼德拉当Boss之前的南非能炸个响，加上火箭技术没几个了依然还是美俄最多加个中国可以玩一下。至于技术难度要落实到具体的细节来看，可能中科院院士都说不了50%的细节，我个人没什么文化也不敢乱说了。系统工程，谈细节，要用硬盘而不是码字。谈个大体的个人看法还差不多吧！


化学能巨型火箭也不错，别看人类蚂蚁搬砖那样才搞出个国际空间站，人类每年投入到杀人武器，健身运动，体育活动和赌博中的钱扣出三成来早就可以搞一个不错的月球基地了还是几千人长期入驻开矿的规模。谁叫地球人玩物丧志呢？太平洋彼岸三分绝杀再精彩也无法在大自然灾害重启地球文明之时有任何作用，可总有很多人喜欢看现代人的各种体能决斗。当然大口地吃高热量食物然后拼命的去健身房也是另一种放屁脱裤子的情怀吧！
星辰大海，当代绝大多数地球人配不上那样的梦想，小确幸们不配迈向宇宙。

Li—_™

自从核能被开发以来，各种核动力平台也都研发过，比如核动力飞机、核动力火箭、核动力舰艇等，今天我们就来说说核动力火箭。核动力火箭狭义上的说法可参照美国原子能委员会和NASA共同研发的NERVA火箭飞行器用核发动机，该发动机以铀235为核燃料，通过核裂变释放能量。使用核裂变作为动力来源，也说明NERVA火箭飞行器用核发动机存在辐射风险，这不利于人类长时间在太空中航行。


图注：NERVA火箭飞行器用核发动机整体结构


图注：苏联也建造了RD-0410核热发动机，核辐射提醒标志非常梦想
同时，如果该发动机在发射失败之后坠入大气层，那么对环境造成的危害也更大。广义上的核动力火箭已经得到升级，比如核脉冲推进技术，通过释放小型核爆作为航天器前进的推力，还有核聚变火箭，那么辐射隐患就可以消除了。
核动力火箭提出背景

核动力火箭在1952年就开始提出了，美国陆军部就通过曼哈顿计划尝试过核裂变反应的效果。参与该绝密计划的科学家成功进行了首次核爆炸，并将两颗原子弹投掷至日本长崎和广岛市，为二战太平洋战区画上句号。二战后，美国科学家和工程师面对强大的核裂变能量，都需要转换一种新思路。首先想到的是核动力飞机，如果一架飞机的驱动力是核燃料而非航空燃料，那么将延长飞机停留在高空的时间，可以随时随地发射巡航导弹等。一些科学家都觉得拥有了核飞机，就将统治了天空。另一个思路就是研发核潜艇，称霸海洋也不在话下。


图注：研发核动力火箭之前，先有核动力飞机
1945年，美国陆军空军着手对核动力飞机进行研究。美国国家航空咨询委员会于1951年对此进行了进一步探索，并将核计划的控制权移交给了原刘易斯飞行研究中心。主要原因是因为后者邻近Plum Brook测试基地，这里配有核聚变实验的一系列设备。
1956年，美国国家航空咨询委员会正式批准美国原子能委员会进行核试验，与此同时也时刻关注着核飞机的进展。五年后，该基地已经将不必要的障碍建筑扫除完毕，一切准备就绪。这时，核动力飞机的美梦破碎。因为苏联就要成功建造核飞机的谣言被破除，当时的美国总统肯尼迪就也没有因此放松警惕，毕竟在未来实现军用核动力飞机的可能性极小，但在核动力火箭上研发的概率较大，也具备可行性，于是核动力火箭开始提上研发议程。


图注：1967年12月，NERVA核动力发动机在2270 K、1100 MW下完成60分钟耐久测试


图注：1965年1月，核动力发动机测试时发生爆炸
核动力火箭优势和技术难点

1961年的美国采用的是化学火箭，即专门为水星任务建造的火箭：水星-红石号和水星-阿特拉斯号。不过化学发动机无法产生太大的能量，想要发挥最大效力，就需要行星的最佳排列才行，这种最佳排列的发生概率是大概每两年出现一次。化学火箭的另一个弊端是承载的燃料十分有限。如果燃油加重，甚至还没有出发就已经耗尽。核推进力却完美地解决了这些问题，它不需要成吨地燃烧燃料，只需要原子裂变并释放动能就可以产生足够的能量，提供给发动机强大的比推力。
简而言之，比冲的秒数越高，火箭的成本就更低，效率就更好。1960年代化学能火箭的比冲在300至450秒，如果使用核动力火箭，比冲为800至900秒，效率方面是化学能火箭的两倍。相比效率低下的化学火箭，核火箭能够缩短太空飞行时间，还能缩短宇航员遭受宇宙射线影响的时间，从而减缓在微重力环境下宇航员的肌肉萎缩情况。不过我们不能忽视宇航员接近核动力装置时遭遇的放射性威胁，这也是核火箭运用的最大难题：无法确保宇航员不受核辐射的影响。


图注：核动力发动机在技术上没有问题
1961年，美宇航局和美国原子能委员会共同成立了航天核推进局。就这样，火箭飞行器用核引擎诞生了。发动机的核心由铀235燃料渗透的石墨构成，铀原子裂变产生能量，能量经由铍反射器围绕在核心四周。泵输送氢至火箭发动机喷嘴，氢从裂变后的铀原子中获取能量，加热至大概4000摄氏度，从而产生推力，如此高的温度和温度的两极分化也有可能会影响核裂变过程。有了核火箭的推进力，人类到达火星就比较容易实现。
到了1968年，火箭工程师对火箭飞行器用核引擎的准备工作基本完成，其载荷量可达150吨。此后冯-布劳恩提出了一个大胆设想，让12名宇航员各自乘坐两枚核动力火箭前往火星，这两枚火箭都由火箭飞行器用核引擎驱动，发射日期为1981年11月，到达火星的日期为1982年8月。然而，由于载人太空飞行的预算和时间成本过高，萌发于阿波罗时代的太空幻想在20世纪70年代陷入泡影。如果冯-布劳恩没有在1977年去世，经历二战、冷战的那些顶级火箭工程师，从技术上说完全有可能让人类抵达火星，昙花一现的核动力火箭险些改写教科书。


图注：如果冯布劳恩没有去世，说不定人类已经实现了抵达火星


图注：如果冯布劳恩没有去世，说不定人类已经实现了抵达火星
核动力火箭有望涅槃

肯尼迪在1961年5月的国会演讲中提到了研发用于月球探测的核动力火箭，这句话给未来探索太空充满激情的人类一个郑重的许诺。在演讲中，核火箭的提及顺序排在登月许诺的后面，因为太空竞赛也算国家之间的一场由苏联发展核武器引发的冷战。时隔半个世纪后，美国国会在2019年末达成了一项开支法案。在这项法案中，专门划拨了1亿美元给美国宇航局用作开发核动力火箭发动机。虽然大众舆论对核材料的反响一直很剧烈，但对于太空探索领域，却显得宽容得多。


图注：NASA最新提出的核动力火箭


图注：NASA核动力火箭目标是探索火星以及火星轨道之外的太阳系天体
好奇号探测器是美宇航局众多以核材料为动力来源的探测器之一，多功能放射性同位素热电池可以实现钚238和电能之间的转换。航天器的核动力和核电站肯定是不一样的，但与危险材料为伍也颇具挑战性，随着核聚变技术的成熟，未来核动力火箭应该以核聚变为主要动力，这是比较靠谱的。

仓颉

你是说哪种核动力火箭？裂变还是聚变？常见的核火箭包括核脉冲火箭、核电火箭、核热火箭、核冲压火箭、核盐水火箭、核聚变火箭等，以核热火箭为例，其反应堆结构比陆基核电站的规模要小很多，铀-235的纯度要求更高，达到90%以上，在高比冲要求下，发动机核心温度将达到3000K左右，需要耐高温性能极佳的材料。
建造的话……不是已经建造出来了吗？NERVA，只是这个计划被终止了。想看有关核热火箭的详细讨论，直接拉到最后。



以下只讨论仅依靠核反应产生能量的火箭发动机，核反应堆发电带动电推的不进行讨论。
核脉冲推进的原理很简单，靠火箭后方核弹爆炸产生的冲击波产生推力，但是问题来了：首先在大气层中引爆核弹，会产生大量的冲击波和核辐射，就像原子弹爆炸一样。然后在真空中引爆核弹只能产生光子，不能产生冲击波，严格来说采用的是核推进单元，其中包含了核弹和推进剂，核弹引爆后推进剂绝热蒸发，形成等离子体，撞到后面的推进板产生推力。



首先核推进单元在红色点的位置爆炸，然后爆炸产生的光子冲击波到达后面的伞，飞船加速之后绳索收起。这种飞船的比冲可以达到5万到10万秒，这种结构最大的问题是：在失重环境下开伞会发生什么？
坎巴拉太空计划中有这样的MOD, MOD中的宣传图采用了真空核脉冲推进火箭。除此之外，这个MOD还包含了在大气层中使用的核脉冲推进器。
这种火箭最大的技术难点是：核推进单元的结构核如何控制爆炸发生的位置。


大气层中进行核脉冲推进，效果是这样的：



这谁还敢用啊

核冲压火箭的话，严格上说是巴萨德冲压发动机。如果说“核冲压发动机”的话，这个说的是用核反应产生的能量，加热空气（严格上说是大气，因为核冲压发动机原理上能在任何有大气的行星上使用）向后喷射产生推力。
巴萨德冲压发动机最大的问题是：你需要一个直径数公里到数千公里的电磁场，来收集星际物质的氢作为聚变燃料。收集到的氢被电场电离之后，用激光进行点火发生聚变。目前研究过的巴萨德冲压发动机，采用的聚变反应为质子-质子链反应和CNO循环。



巴萨德冲压发动机

核盐水火箭采用溶解了含有铀-235或钚的盐水作为燃料，这些含核燃料的盐水存储在特殊设计的容器内，通过几何构造或中子吸收的方法来保证其不达到核反应所需的临界质量。加热这些放射性盐水，产生核裂变，并通过喷嘴排出产生推力。水在这里被被当作中子减速剂也被当作推进剂。本质上它利用的是连续核爆产生的能量，具有高推力和高比冲的特点。一般来说，盐水中溶解的浓缩铀丰度越高，推力和比冲越大。这种火箭发动机最大的问题是：如何控制裂变的产生，而且由于这种火箭发动机产生含有裂变核盐的蒸汽，地面测试存在伦理问题。

聚变推进火箭有两种，一种是聚变直喷，另一种是核光子火箭。聚变直喷火箭工作原理如下：核聚变产生大量的氦核（阿尔法粒子）、质子、电子，通过磁场引导喷出，可以达到很高的排气速度和比冲，推力和推重比比核电推进还要高。为什么我不讨论聚变堆带动电推呢？因为效率。聚变直喷可以轻松达到很高的排气速度，聚变反应堆转换成电能存在转换效率，而且电推的排气速度远远不如聚变直喷。
目前研究论证最完备的计划是代达罗斯计划，它采用氘和氦-3作为聚变燃料，氘和氦-3组成的聚变燃料球由高能电子束在惯性约束反应室中点燃发生聚变，产生的离子气在磁场的约束下以每秒1万千米的速度排出船尾，作为动力的来源。每秒代达罗斯需要消耗250个这样的燃料球。1978年，英国星际学会公布了代达罗斯计划的最终方案。该计划给出了有史以来第一份详细的核动力飞船设计图，旨在论证可能性。这是一台无人飞船，但这个无人飞船重达5.5万吨，相当于半艘尼米兹级核动力航空母舰的重量，其中 5 万吨是燃料的重量，科学仪器重量只有500吨。这艘飞船只能在轨组装，仅仅是300吨的国际空间站，组装就花了20年，同时目前发射成本居高不下，这估计得看马斯克的货运BFR能不能把成本大幅度降下来。



代达罗斯飞船

核光子火箭应用核反应产生的光子，通过抛物面镜聚焦后射出产生推力。这种推进器的效率低的令人发指，每推力功率为300MW/N，需要能量密度极高的电源提供能量，即使采用聚变，需要考虑反应产物和中微子带来的能量损失，没有实用价值。

最后是讨论核热火箭（NTR）的时候了，这个是研究过最多的，且有实验样机（NERVA）的方案，但还是被终止了。目前有2种方案，一种是核衰变热火箭，另外一种是核裂变热火箭。
核衰变热火箭采用放射性同位素热电发电机 （RTG）中放射性同位素衰变产生的热量加热工质，向外排出产生推力，这种发动机的缺点是推力小，且无法改变运行功率。当RTG不加热推进剂时需要安全地散发热量，而不像核反应堆一样，可以根据需要节流和关闭。
接下来是这个回答的重点核热火箭了。这是一个很长的故事，请做好准备。

首先需要选定一种工质，工质的要求是：导热性好、太空中易制取、速度转换效率高。所以美国和苏联都选择了氢作为核反应堆的冷却剂和火箭的工质。至于亡星余孤（Children of a Dead Earth）中的NTR为什么采用甲烷呢？首先它是太空战舰，有交战时调整朝向的需要，它的火箭发动机要考虑推重比和比冲，甲烷作为相对分子质量第三小的气体（前两个是氢和氦），且在火星和土卫六上容易制取，因此就考虑了甲烷，甲烷作为工质，最大的问题就是积碳。甲烷高温分解成碳和单原子氢，碳一旦堵塞堆芯，那就好玩了。氨气的话太空中比较少，倒是水容易制取，小行星和外太阳系行星上有大量的水，所以以水作为工质的NTR也是一个不错的选择，而且水也不用操心推进剂挥发的问题，只要储罐能保证水是液体就是了。
接下来再选择一种循环方式，有开式循环和闭式循环两种。闭式循环最大的问题是启动时如果氢的流量不够，控制棒来不及降低反应堆的功率，反应堆吸热不充分，会导致堆芯熔毁。美国人先采用泵工作相对独立的开式循环进行技术验证后，再采用闭式循环。



开式循环和闭式循环

不论是哪一种循环方式，喷管的技术难点在于喷管冷却通道的设计和研制。美国的NTR喷管由洛克达因提供。
然后就是NTR的核心：核反应堆。为降低NTR的重量，核反应堆具有小体积、轻质量、高功率的特点，还要保证其安全性。反应堆采用丰度达到90%的武器级高浓缩铀，且采用更高熔点的铀-235二氧化物。由于核裂变产生的是快中子，需要将其减速成慢中子或热中子才能命中原子核发生裂变反应。减速剂最初的备选项有石墨，问题是石墨在高温下会与氢气反应生成甲烷或乙炔，且容易导致积碳。最后美苏选择了氢化锆作为慢化剂。
燃料棒结构的选择也是个大问题。美国人选择了蜂窝煤结构，每个流鼻血燃料棒中有19个孔，增大与氢气的接触面积，提高冷却效果，6个燃料棒中间放一个石墨冷却支撑单元。


燃料棒和冷却支撑单元的外表都有一层碳化锆图层，防止元件被氢气腐蚀。
除此之外，还需要控制棒和中子反射层，前者用于功率控制，后者用于将中子反射回裂变核心，提高反应效率，降低临界质量，节约核材料。NERVA采用了旋转式控制棒的设计，而不是插入式控制棒，缩短了反应堆的长度。


还有一个问题是辐射屏蔽。中子反射层可以作为反应堆核心的第一层辐射屏蔽层，可以采用拉大NTR与成员舱之间的距离和附加辐射屏蔽层的方法解决。
经过15年的研发和测试之后，美国人终于拿出了他们的NTR成品：NRX-XE，核反应堆功率1100MW,


图中4个黄色的储罐为氦气储罐，用于在启动发动机时加压氢气，标记13的喷管为涡轮泵的喷管，一部分氢气被液氢降温后驱动涡轮泵并排放，97%的氢气进入反应堆，加热至高温后从喷管中排出。（所以最后还是没用上闭式循环……）
测试结果为：“测试表明核动力火箭适合太空飞行任务。”尽管测试结果如此，但是NASA在1969年的预算遭到了国会的削减，核热火箭项目最终于 1972 年彻底终止。1972 年洛斯阿拉莫斯实验室的研究表明，采用全流量闭式膨胀循环的NTR，推力 72 kN，液氢流量在 8.5 kg / s 时比冲达到 874.8s.
燃料棒结构上，苏联人采用了更聪明的方案：麻花杆形的铀燃料棒，七根燃料棒形成了液态氢的通道，通道采用螺旋形设计，增加了氢气的冷却接触面积。苏联人还特意把燃料棒制成上浓下稀的结构，氢气刚从上部进入反应堆核心时迅速加热，氢气加热来到下部之后，不需要这么高的加热速率（同时也是为了防止喷管过热）燃料棒下部的铀浓度被降低。

又是拿游戏来说事的时候了，在亡星余孤（Children of a Dead Earth）中，你可以自己选择核反应堆、火箭喷管和涡轮泵的材料，调整各项参数，设计出自己的NTR.


这是在创意工坊里面一个很著名的核热火箭，可以看到里面大规模采用碳化铪系陶瓷基材料，说白了还不是为了耐高温，然而这个游戏忽略了制造和加工成本（其实并没有忽略，游戏里面石墨烯是很贵的）也没有考虑化学反应和积碳问题，所以这里面的太空战舰都是用甲烷作为推进剂以获得不那么难看的推重比。当然你也可以在这个游戏中用水/氢/氢氘化物作为推进剂，反正数据不那么好看就是了。
参考资料
超级LoveOverGold. 并不是异想天开，核热动力火箭 —— 无畏的先驱者. 2018.