關(guān)于核能在航天方面的應(yīng)用，在20世紀(jì)50年代初期，主要想法是通過在航天器后面進(jìn)行核爆來(lái)獲取前進(jìn)的動(dòng)力。因?yàn)槊看伪ǘ紩?huì)形成一個(gè)脈沖，因此也被稱為核脈沖推進(jìn)，這使航天器能夠沿脈沖波行進(jìn)，同時(shí)沿途獲得動(dòng)力。

“獵戶座計(jì)劃”就是這樣的一個(gè)核脈沖項(xiàng)目，研究是否可以在航天器后面制造出受控的核爆炸，以將其推進(jìn)至火星甚至到達(dá)其他目的地。General atomics 負(fù)責(zé)了“獵戶座計(jì)劃”的主要研究工作，經(jīng)過計(jì)算火星往返任務(wù)需要540–1080枚核彈。

代達(dá)羅斯計(jì)劃(Daedalus)比獵戶座計(jì)劃更加先進(jìn)，它是由英國(guó)行星際協(xié)會(huì)于20世紀(jì)70年代進(jìn)行的一項(xiàng)研究。與獵戶座計(jì)劃設(shè)想的裂變脈沖相比，代達(dá)羅斯計(jì)劃使用氘/氦原子混合物小球制造聚變爆炸。

平均每分鐘將引爆250顆小球，并且由爆炸產(chǎn)生的等離子體將從航天器的噴嘴中排出。

航天器到達(dá)星際目的地所要求的最小排氣速度是9210 km / s。

航天器的聚變推進(jìn)

從前面的部分可以看出，燃燒室中的溫度越高，所產(chǎn)生的排氣速度就越大，產(chǎn)生更高的比沖從而縮短深空飛行任務(wù)時(shí)間。當(dāng)然，與任何其他傳統(tǒng)方式相比，裂變反應(yīng)堆的溫度和排氣速度更高。

但是就燃燒室溫度而言，還有一種更為有效的方法，那就是核聚變。聚變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中兩個(gè)元素的融合，從而釋放出大量能量。聚變所產(chǎn)生的熱量(作為能量的一部分)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂變，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。然而，熱分散和等離子體不穩(wěn)定性問題仍然是重要的挑戰(zhàn)。

聚變推進(jìn)有兩種工作方式。

第一種方式，航天器通過二回路發(fā)電并通過離子推進(jìn)產(chǎn)生推力。在離子推進(jìn)中，推力基本上是由高速離子釋放產(chǎn)生的，航天器將獲得等量相反的動(dòng)量。

產(chǎn)生足夠的電力來(lái)推動(dòng)離子是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但是離子通過一些轉(zhuǎn)換方法可以與核能產(chǎn)物相結(jié)合，可以產(chǎn)生非常高效的離子驅(qū)動(dòng)器，甚至可以用于星際旅行。為此， NASA和ROSCOSMOS正在進(jìn)行一些研究。

當(dāng)前所面臨的問題均與過量的熱有關(guān)，比如二回路循環(huán)所需的大量介質(zhì)以及熱分散問題。

聚變推進(jìn)的第二種方式是聚變驅(qū)動(dòng)火箭(FDR)，由NASA負(fù)責(zé)研究。FDR使用固體鋰推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量而加速，然后通過使用磁屏蔽來(lái)避免直接接觸航天器。推進(jìn)劑將以大于30 km / s的速度從噴嘴中噴出。為了實(shí)現(xiàn)單程90天的火星旅行任務(wù)，目前正在進(jìn)行多項(xiàng)計(jì)劃。

在聚變推進(jìn)的方法中，F(xiàn)DR的使用似乎是最合理的。因?yàn)閾?jù)觀察，NASA為數(shù)家公司和實(shí)驗(yàn)室提供了大量的研究經(jīng)費(fèi)，以研究FDR的變體。此外，F(xiàn)DR采用磁屏蔽方式對(duì)熱量和輻射進(jìn)行隔離，因此屏蔽器的質(zhì)量很小。NASA報(bào)告指出， FDR航天器重103噸，可以執(zhí)行火星往返飛行。

核動(dòng)力航天器的材料要求

航天器核反應(yīng)堆的順利運(yùn)行將取決于溫度水平。因此，航天器內(nèi)所有的元件都需要承受很高的溫度和壓力，保證在任務(wù)期間的高效可靠。同樣需要注意的是航天器內(nèi)粘性流體中存在剪切應(yīng)力。因此，航天器必須能夠承受由冷卻劑中的壓差引起的負(fù)載。

此外，堆芯和排放部件將承受高溫差，這些部件和區(qū)域?qū)⒊惺軣釕?yīng)力。

實(shí)際上，航天器需要高功率密度和由于高溫差產(chǎn)生的高壓差。總是出現(xiàn)極端的高溫差、高壓差、堆芯散熱速率以及熱應(yīng)力和剪切應(yīng)力現(xiàn)象。

另外，對(duì)于核能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在幾十秒內(nèi)完成從啟動(dòng)至滿負(fù)荷并達(dá)到最高溫度至關(guān)重要。實(shí)際上，啟動(dòng)程序必須連續(xù)進(jìn)行，這將影響各個(gè)部件，尤其是燃料元件。燃料元件需要承受高熱應(yīng)力，因此，燃料元件必須通過蠕變來(lái)減輕這些應(yīng)力。

就像燃料元件一樣，內(nèi)部的高溫差也會(huì)增加慢化劑中的熱應(yīng)力。另外，慢化劑和推進(jìn)劑的化學(xué)相容是非常重要的，因?yàn)橥七M(jìn)劑還兼作冷卻劑，用于去除中子和伽馬熱量。

航天器最常見的推進(jìn)劑是氫氣，因?yàn)樗姆肿恿康投疫€可以作為高效的慢化劑。但是，由于中子質(zhì)子碰撞發(fā)生高速散射，氫不能作為良好的中子反射器。氫的熱中子吸收橫截面較大，因此氫可以很好地使中子熱化，但不足以吸收核反應(yīng)中的中子。

FDR的整體結(jié)構(gòu)都將會(huì)受到推進(jìn)系統(tǒng)的影響，尤其是靠近堆芯的上部結(jié)構(gòu)以及噴嘴出口附近區(qū)域。此外，氫作為推進(jìn)劑還會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生腐蝕和震動(dòng)影響。液態(tài)推進(jìn)劑通過輻射加熱后以氣體形式進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯。航天器的結(jié)構(gòu)必須能夠承受氣態(tài)氫的腐蝕作用，才能高效完成任務(wù)。

此外，氫氣離開反應(yīng)堆堆芯時(shí)處于過熱狀態(tài)，具有腐蝕和侵蝕的特性。實(shí)際上，過熱的氫氣將與碳顆粒反應(yīng)，并立即形成碳?xì)浠衔铩Ｒ虼耍诤教炱魃鲜褂檬蚋焕障┍仨毥?jīng)過仔細(xì)考慮。

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