核动力火箭面临问题（大国争相布局核动力火箭）

美国要重新开发核动力火箭？今年漂亮国的国防部高级研究计划局，授予通用原子公司一份2200万美元的合同，用于设计火箭的小型核反应堆。与此同时，中国也在2018年有专家提出希望中国100周年时，完成150亿千米的深空探测。这意味着中国要在2040年前后完成核动力火箭的研发工作，那么核动力火箭究竟和普通火箭有什么不同？能否改变人类的历史？

核动力火箭有什么特殊之处

核动力火箭不知道你听没听过，但是相关研究其实很早就开始了。在大漂亮和毛熊在航天领域进行角力时，双方都在核动力火箭使了不少的力。

因为在居里夫妇提炼出放射性元素镭之后，俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就拍板预言：“人类只要用一小撮镭，就足以挣断与太阳系引力。”因为核能的力量过于强大，在大多数关于宇宙探索的科幻小说里都有提及核动力飞行器。

而在今年，关于核火箭又有一则新闻，大漂亮的CNN电视台报道了一家在西雅图超安全核技术公司的一个项目，是关于火箭的核热推进引擎，该引擎可以让地球前往火星的旅途从7-9个月缩短到3个月。

NASA首席工程师杰夫·谢伊表示，现在的火箭都是由化学发动机提供动力，可以带你去火星，但是往返至少要三年时间，但是在太空呆的时间太长，出现的问题越多。

这话确实没错,首先芯片等设备被太阳辐射长期照射，撑不了太久。载人等火更不用说，在太空失重环境下，肌肉和骨质流失率太高，人能不能活着撑下一次火星旅途还不好说。

所以太空旅行的时间越短，安全系数越高，核动力火箭似乎就成了人类移民火星唯一的破局之路。西雅图这家核公司的总工程师就说，他们设计的核动力火箭发动机功率是化学发动机的两倍，这意味着核动力火箭跑得更快、飞得更远，而且装载的燃料更少。

这样的火箭，可以搭载更多的物品消耗更少的燃料，也许真的可以改变人类的航天史。

核动力火箭靠谱吗？为什么核动力火箭是人类的未来？

核动力火箭安全吗？福岛核电站以后，很多欧洲人是闻核色变，德国吓得关停了所有核电站。部分欧洲国家开始削减核电数量。

但是上世纪50年代，人类虽然感受到了核力量的恐怖，但犹如刚刚掌握控火的人类，肆无忌惮的滥用，无数次引发了了山林大火。

恰好在1953年，比利时出现了《丁丁历险记之奔向月球》的漫画，里面就有核动力火箭，其原理是利用核弹不断爆炸，产生足够的推力，让丁丁和小伙伴到达月球。想法不错，但当时大多数人还没经历过切尔诺贝利，没意识到核辐射的危害。

所以大漂亮的科学家还真提出了这种设想，在1957年，一批疯狂的美国科学家启动了一个疯狂的核火箭项目，叫“猎户座”计划。和《丁丁历险记》里设想的核火箭相似，都是采用核弹爆炸产生的推力，在火箭后方安装一个推进盘，像一个弹簧一样吸收了核弹爆炸产生的足够的冲击波，形成推力向前运动。

起飞阶段是每秒引爆一个100吨TNT量级的核弹，随后下降到10秒一个。理论来说只要核弹装得多，飞出太阳系不是梦，核辐射什么的不重要。科学家脑洞大开，但是政客还算清醒。所以在1963年，毛熊、大漂亮和约翰牛三国签订了部分禁止核试验条约，禁止在大气层和外太空进行核试验，这个疯狂的项目终于停止了。

但是在1968年，原“猎户座”计划的科学家戴森，又继续作妖，提出了一个让人匪夷所思的项目，是利用氢弹星际航行方案。按照他的设想，人类可以建设一艘3000万吨的飞船，携带3000万颗氢弹；利用氢弹爆炸产生的脉冲可在10年内将飞船加速提高到300千米/秒，将人类星际航行的速度提高到光速的7%。

虽然这些疯狂的项目要不被叫停，要不就无法开展，但是美国人会放弃核动力火箭吗？自然不会，因为在1955年，美国启动了“漫游者”计划，目的就是建造一款核热火箭，这个项目就相对靠谱了。

核热火箭和我上期讲述的液体火箭类似，都是利用高温气体膨胀产生推力。但是区别是，液体火箭用燃料和助燃剂燃烧产生高温高压的工质形成推力；而核热火箭是利用核裂变产生的热量对工质进行加热使其膨胀而产生推力。

核热火箭使用的工质是氢，因为氢的分子量较小，可以装载得更多，而且液氢经过泵以后会变成氢气；而氢气一方面可以推动涡轮泵运转，另一方面还能进入反应堆加热后，在高温低压的环境下理解为原子氢，因为氢气导热性能不错，吸收大量的热量给原子堆降温的同时，还能从喷管喷出形成推力。所以核热火箭优势具有推力大、比冲高的特点。

核热火箭另外一个优势就是可控性，因为反应堆有控制棒控制核反应堆的中子流进流出。根据核反应堆链式反应的中子数量，核反应堆可以处于临界状态、超临界状态和次临界状态，相当于稳定工况、加速工况、停堆工况。

反应堆的相关内容，我在之前的节目介绍中国第四代核电技术专门提过，感兴趣的观众可以往前翻几期。

所以核热火箭反应堆的结构形式为高温气冷堆，也和咱们第四代高温气冷堆类似；由反应堆、燃料组件、支撑结构、慢化剂、控制棒或控制鼓、反射剂以及压力舱组成。除此之外，就是一些火箭配件，包括液体贮箱、涡轮泵系统、冷却系统以及喷管组件。

不过核热火箭也有升级版，叫做液氧增强核热火箭 ，独特之处是在喷管的扩张段加了一个加力燃烧室。对这喷入氧气后，可以与核反应堆加热的氢在超音速的环境下进行燃烧；在反应堆功率基本不变的情况下，氢氧混合比率达到一定比值，可以使热核火箭的推力和等效比冲值扩大不少，这意味着热核火箭的体积可以大幅缩小。

除此之外还有使用核电技术产生等离子体推动的核电火箭，其原理是无线电波电离并加热推进剂,并用一个磁场来加速产生的等离子体产生推力。和我们理解的电磁炮差不多，只是核电火箭把电磁炮带身上了，只要电量够能一直加速。

核能虽然强大，但是核辐射是绕不过的弯。那么核动力火箭的反应堆是否会对航天器和宇航员产生影响？

辐射其实避免不了，但是现在的核动力武器使用频繁，包括核航母、核潜艇都在使用高纯度的铀-235燃料棒。所以人类现有的技术已经将核辐射降到人体可承受的安全值附近，所以核火箭最需要解决的是送往太空的过程中放射性物质该如何解决。

目前对于核动力火箭的应用，争论还是颇多的。主流的想法是先由一枚化学火箭将其送入轨道，再点燃核反应堆。因为在真空中爆炸和热辐射不能传播。如果火箭反应堆不幸破裂，放射性物质污染的碎片也会在太空中飘着，一直自然衰变。

核动力火箭何时可以面世？

其实大漂亮在上世纪差点造出核动力火箭。在“漫游者计划当中”大漂亮开发了代号“猕猴桃”和“菲布斯”专门用于核火箭的核反应堆，“菲布斯”核反应堆目前在大漂亮的内华达州的拉斯加斯的原子能测试部博物馆内展出。

在1961年，大漂亮启动了核热火箭的研究工作，并且招标让西屋电气和阿罗杰特-通用的核能团队参与，在“猕猴桃”和“菲布斯”核反应堆的基础上，开发火箭发动机。核热火箭研制工作中，最难的一个问题是堆芯温度的问题。

“猕猴桃”的堆芯温度可达2000多摄氏度，而且反应堆驱动火箭的问题实在太多，难度远远大于建设一个核电站。首先冷却剂的选择是个难点；其次当时的材料能够耐高温的不多，用什么材料建造堆芯？最后一个难题是“阿波罗”计划的开始，预算被大幅缩减。

面对冷却剂的选择，液冷还是气冷，争论不休之时，大漂亮豪掷千金，直接做实验模拟，定下来用氢做推进剂和冷却剂。但是堆芯的基材选择就比较困难了，钨的熔点在3000多度，倒是能够承受，但当时钨的冶炼工业不成熟，加工起来比较困难，所以依旧用石墨当堆芯材料。

石墨放在核电项目上问题不大，但是在火箭上就不大靠谱了。因为氢经过反应堆后，温度极高可以腐蚀石墨。所以科学家又在反应堆的氢管道刷了一层碳化铌的薄膜。而碳化铌是一种十耐火坚硬的陶瓷材料，同时耐腐蚀性良好，自此以后碳化铌一直用作核反应堆的耐火涂层，一直沿用至今。

这些计划被陆续解决以后，NASA计划是将该火箭作为核动力拖船，并且在1979年载人探访火星时和1981年建立永久性月球基地时使用。而这款核热火箭，相关数据都超出预期。NASA认为核动力火箭完全能够胜任太空飞行任务，而且比冲量是传统化学火箭的两倍。该火箭的寿命、推力、推重比、比冲都达到设计初衷。整个计划就差重启60次的最终实验时，项目却被叫停了。这可真是洞房里换孝服，又悲又喜。

该项目被叫停的原因，不是因为自身，而是“阿波罗计划”太烧钱了，“阿波罗”计划把NASA几年预算花了个精光。而且大漂亮和毛熊都咬着牙，都想在“太空竞赛”压对方一头。这就是为了面儿充大款，最后NASA的预算被削减，阿波罗17号也被叫停，所以土星5号运载火箭也停产了。

没有了土星5号将核热火箭送上天，“漫游者”计划也没了。但是热核火箭的优越性一直没被人忘记。大漂亮多次叫嚣要重启核动力火箭计划，俄罗斯也一直没有放弃在核电火箭的研究。

而我们这几年不管是在核裂变还是核聚变方向都有长足的进展，所以对于热核火箭的应用，科研人员必然也有一些思考和研究。尤其是核聚变火箭，利用氘氚在激光核聚变系统下就能产生脉冲形成磁场，实在吸引人。

不过目前人类还没法长期稳定的控制核聚变，暂时很难应用于火箭。尤其是核聚变火箭的点火极为困难，有人提出了利用反质子启动核聚变反应，因为反物质湮灭的产生的能量比一般的化学反应能量多大个10个数量级。但是对于量子领域，我了解不多，等我有机会学习一下，知道的观众也希望能做个指点。

,