核動力發動機

說到未來的宇航動力，人們恐怕首先會想到核動力，我們目前化學燃料的火箭推力太小，所以每次發射必須尋找合適的發射視窗，以便利用行星的引力來加速，使得它們能真正飛往宇宙深處，到目前為止，人類發射的所有深空探測器沒有一個不利用行星的引力。這自然是個聰明的辦法，但是畢竟只是無奈的變通方式，很消耗時間，而且受到的航線限制太多。安裝核動力的飛船和探測器由於推力強大，就不必利用行星的引力，更不必在航線的限制上操心過多。

基本介紹

• 中文名：核動力發動機
• 外文名：Nuclear power engine

利用方式

對於核動力的利用方式有3種：

1、利用核反應堆的熱能

反應鏈

2、直接利用來自反應堆的高能粒子

3、利用核彈爆炸

核動力航空母艦和核潛艇都是利用核裂變反應堆的動力來推動螺旋槳，只不過太空沒有水或者空氣這種介質，不能採用螺旋槳而必須利用噴氣的方式。但方法仍很簡單，反應堆中核子的裂變或者聚變產生大量熱能，我們將推進劑(很可能採用液態氫)注入，推進劑會受熱迅速膨脹，然後從發動機尾部高速噴出，產生推力。其結構如上圖所示，推進劑從左側注入，中間加熱，右側噴出。其中，利用反應堆的熱量是最簡單也是最明顯的方式。

機結構

而這具體又分多種類型，其中核裂變發動機分以下4種類型：

1) 固體核心核發動機：在這種發動機中，推進劑受固體燃料核心加熱，估計比衝量能達到大約800秒；

2) 粒子床(Particle Bed)核發動機：在這樣的發動機中，液體推進劑被泵入核燃料裡面，這種方式能達到很高的熱量，使得比衝量能達到大約1,000秒，推重比超過1；

3) 液體核心核發動機：這個辦法是使用液態的核裂變燃料，由於不必操心裂變物質的熔點，所以能達到更高溫度從而獲得更大的優勢，比衝量能達到大約1,500秒，推重比超過1；

4) 氣體核心核發動機：這種情況下我們不用再操心裂變物質的蒸發，在這個系統中推進劑流經等離子態的裂變物質，從而達到最高的可能溫度，安裝一個冷卻系統後，比衝量能夠達到7,000秒。

推進

利用反應堆的熱量這種辦法雖然節省了燃料，但必須攜帶許多液體推進劑，結果許多節省的重量都被消耗掉了，獲得的好處沒剩多少。由於核反應的時候能夠產生許多高能粒子，所以第二種方式就是直接利用來自反應堆的粒子，從而不必攜帶推進劑。

核動力發動機

這些高能粒子移動速度非常快，我們當初用反應堆加熱推進劑就是為了讓推進劑的熱運動速度增大從而獲得推力，而這裡我們已經有了這樣的高速運動物質。而且這些高能粒子是離子態的，從而可以使用磁場來控制它們的噴射方向。事實上，這種磁場控制方式已經在我後邊要介紹的離子發動機上使用了。

利用這種方式，可以達到極高的比衝量——1百萬秒！這樣的發動機能夠提供高推力使飛船或者探測器完成行星際任務，甚至進行恆星際飛行。

不過，這種發動機可不象前面介紹的那些那么容易製造，而且可能非常昂貴，有可能需要一個很大很重的反應裝置，或者一個利用多階段反應(後一個階段利用前一階段產物)的小一些的反應裝置。

第三種方式是一個大膽而瘋狂的方式，不再是利用受控的核反應，而是利用核爆炸來推動飛船，這已經不是一種發動機了，它被稱為核脈衝火箭(nuclear pulse rocket)。這種飛船將攜帶大量的低當量核子彈，一顆顆地拋在身後，然後引爆，飛船後面安裝一個推進盤，吸收爆炸的衝擊波推動飛船前進。

這種看似天方夜譚的方式卻是被美國政府實實在在考慮過的計畫，這個在1955年被以獵戶座計畫(Project Orion)命名的項目，希望建造一個簡單，承載大，而且在資金上能夠建造得起的飛船。這個項目最初計畫在地面直接起飛，可能就在內華達的核武器試驗場Jackass Flats，這個飛船的樣子象主教冠或者子彈頭，16層樓高(AzureFlame註：國內媒體把sixteen和sixty弄混淆了，居然說有60層樓高)，後面的推進盤直徑135英尺(41米多)。發射台包括八個發射塔，每個250英尺高(76.2米)。起飛飛船質量是1萬噸，和普通的化學火箭不同，這些質量中大部分都將進入軌道。飛船起飛時爆炸的核子彈當量為0.1千噸(注意，100噸TNT當量爆炸產生的推動力可遠不只100噸)，每1秒鐘就拋出一個，而當飛船加快到一定速度後，將下降到每10秒爆炸一枚2萬噸當量的核子彈。起飛方式被設計為豎直向上飛行，而不是象普通化學火箭這樣到一定高度就傾斜飛行。這樣飛的目的是把放射性污染集中到一個小區域內。最初計畫攜帶2千顆核子彈，利用它把太空人於1965年送往火星，1970年送到土星。船上可以裝載150人，以及數千噸的載重，使得他們生活相對很舒適。這種飛船可以建造得象戰列艦一樣，而不必象化學動力飛船那樣過分考慮重量。飛船上還將攜帶一些小的化學動力飛船，用來在行星或者衛星上著陸並重新返回獵戶座飛船。

核子彈並非直接作用於推進盤上，在釋放放出核子彈後，接著再釋放出一些由塑膠製成的固體圓盤(當時傾向於聚乙烯)，當飛船駛出一定距離，核子彈將在飛船後面200英尺處爆炸，蒸發掉塑膠圓盤，將其轉化成高熱的等離子漿。由於塑膠盤位於核子彈和飛船之間，等離子漿中相當部分將會追上飛船，撞擊太空飛船尾部巨大的金屬推進盤，從而推動太空飛船高速行駛。理論上比衝量可以達到1萬到1百萬秒。

之所以選擇塑膠是因為塑膠對核爆炸產生的中子的吸收效果好，也就是說它同瞬間的輻射能配合得非常好，它將分解成輕原子比如氫和碳並以高速運動。由於不清楚太空飛船的碩大推進盤是否會被核爆炸後產生的高溫等離子融化或腐蝕，科學家用氦離子發生器進行了摹擬測試發現，瞬間高溫的等離子只會對金屬推進盤表面產生輕微的腐蝕，甚至可以忽略不計，沒必要設計專門的冷卻系統，並且普通的鋁和鋼就足以成為製造金屬推進盤的耐久材料。

對於推進盤承受的壓力進行計算發現，瞬間的推力將過於巨大從而超過人體承受能力，因此，飛船上還在推進盤和前部船體之間安裝了一個震動吸收系統，脈衝能量將被暫時儲存在吸收系統中然後逐步釋放出來，這樣不至於因為爆炸的衝擊而導致劇烈的震盪，能夠比較平穩地飛行。

相關研究

事實上，美國科學家已經圍繞這個計畫做了許多實驗，而且已經證明這個計畫是可行的。1959年11月進行了一次100米高度的飛行，共爆炸6枚化學炸彈。這次實驗證明脈衝飛行是可以穩定進行的。

核動力發動機

然而，這個構想卻有一個最大的弱點，那就是它依賴於核子彈爆炸做動力，當它飛出大氣層時，必將釋放出核輻射塵污染地球環境。這也正是獵戶座計畫後來胎死腹中的原因之一。在1963年美蘇簽定禁止大氣層核試驗條約之後，獵戶座計畫研究於1965年終止。

飛船

不過，這項計畫終究有其吸引人之處，它完全可以勝任以萬噸飛船再攜帶萬噸載重前往遠方行星的重任，按照當初的計畫，獵戶座太空飛船隻需125天就能往返火星。而且現代的技術發展又為其提供了新的可能，中子彈可以以低輻射的方式來發射大量中子，對塑膠盤產生作用；而最近對X射線雷射的研究則可以用於將輻射集中於朝向飛船的方向，從而更加高效利用能量。支持它的科學家甚至計算過，最少可以用50億美元建造一個飛船並把1萬噸的東西帶上太空，這樣，每磅物品的運送花費僅僅是250美元，而使用太空梭則達到5千到6千美元。隨著對獵戶座計畫的熱情重新漲起，也許有一天這個計畫會重新復活。

核聚變

核裂變發動機在核心製造方面沒有太大的技術困難，但核聚變發動機則不同，首先需要解決受控核聚變的問題。我們目前的技術尚無法讓輕核在常溫下發生聚變，氫彈是用核子彈爆炸產生的高溫來解決問題，但我們總不能在飛船內部爆炸核子彈吧。

主要思路

1) 磁約束聚變

(Magnetic Confinement Fusion，簡稱MCF)，也被叫做持續性聚變(continuous fusion)，是將核燃料變成數百萬度的高溫等離子漿，從而使原子核活躍到能相互碰撞。由於等離子是帶電的，所以可以用非常強大的磁場來束縛它們，否則離子漿將融化任何束縛它們的容器。不過目前的技術還維持不了足夠的時間來使它們產生反應。

2) 慣性約束聚變

(Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF)，也被稱作脈衝性聚變(pulsed fusion)，利用雷射或者粒子束來照射小燃料球產生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高1萬億倍的離子漿，從而產生聚變。由於這種反應時間非常快，不必要強磁場束縛它們，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應。

3) μ介子催化聚變

(Muon-Catalysed Fusion)，μ介子是一種帶負電，質量為電子207倍的基本粒子，壽命2.20微秒。由於它的質量比電子大許多，所以能夠同原子核更接近，而它帶的負電可以禁止原子核的正電，使得原子核之間的斥力減小，能夠更接近，這樣，就不需要嚴格的超高溫或者體積限制。不過這種方式在目前的技術上還難以突破，很難讓μ介子進入原子核周圍的軌道，而且它的壽命太短暫，所以以它為催化劑的聚變必須非常快才行，此外目前製造μ介子的代價也過於昂貴。

前景

目前受控核聚變還是可以進行的，只不過用在發電方面是得不償失，因為輸入的能量遠大於輸出的能量。但宇航並不需要計較什麼輸出能量的大小，所以只要技術發展到輸入的能量和輸出能量大小不差異太大的話，受控核聚變完全可以在太空旅行中首先使用。那么，就考慮一下這三種方式的前景吧：

核動力發動機

1) 磁約束聚變發動機

磁約束聚變有可能是發電的最佳方式，但在宇航方面很可能就不理想了，倒不是因為我們必須發明離子漿方向控制系統，而是因為必須安裝一個磁場產生裝置，而且可能還很大，而且這種方式下的離子漿密度低，意味著必須發動機必須造得很大。不過我們還要看看未來的發展如何。

2) 慣性約束聚變發動機

和獵戶座計畫一樣，這個方案是直接利用核爆炸，但這個方案是在船體內部爆炸，在尾部推進艙內使用雷射或者粒子束來引爆小燃料球，每秒要引爆30到250個。在宇宙的真空中使用粒子束比具有大氣的地球上具有明顯的好處，不受大氣分子的干擾。相對來說，這個方案是最可行的，不過，很顯然這種方式也要安裝別的設施，比如雷射器或者粒子束髮生器，並且需要給它們提供能量，儘管這個方案很可能比磁約束聚變發動機要輕。

3) μ介子催化聚變發動機

這個方案也不太適合宇航，因為μ介子壽命極短，這意味著我們必須在飛船上安裝μ介子製造器，從而增加重量，把不需要磁場產生裝置和雷射器的好處都抵消掉了。而且以目前的技術製造μ介子需要的能量太大，有這能量還不如直接發動飛船。有人提出可以利用真空零點能(Zero Point Energy，我後面會介紹)，但那畢竟是一個沒有證明的東西。

不論使用什麼方式，都需要發明一個磁場限制裝置來保護飛船的噴口，否則高熱的離子會很快把噴口融掉。

有趣的是，也存在一個聚變版本的獵戶座計畫，它就是英國的代達羅斯計畫(Project Daedalus)，以希臘神話中那位用蠟和羽毛給自己和兒子伊卡洛斯做成翅膀逃往西西里的能工巧匠的名字命名。

規避方案

* 把雷射器安在地球軌道上，然後飛船用一個很輕的光學系統來收集照射過來的雷射並用於引爆，這樣可以讓飛船飛得很快，大概60天就能來回土星，不過看起來這個主意並不怎么好；* 使用高聚能物質(high energy density matter，簡稱HEDM，後面將有介紹)替代雷射，象核子彈里化學炸藥的衝力引爆核燃料一樣來引發聚變，不過高聚能物質也有其自己的問題，後面會講到。

相關套用

* 使用動態啟動器('kinematic' drivers)來替代雷射，可以把高聚能物質的作用想像成一個高速大錘，不過能否真達到足夠的速度讓人懷疑；

* 一個大膽的建議是從地球軌道上高速發射小燃料球，然後飛船發射東西高速撞擊它們以引爆，但很顯然這個對接難度過大了；

* 最後我們還可以利用反物質反應和核聚變結合，用湮滅來引發聚變，這樣，我們可以用很輕的發動機系統來獲得高效率，不過反物質的麻煩也很多，後面會提到。

計畫

英國星際學會(British Interplanetary Society)在上世紀70年代重新回顧了獵戶座計畫，並提出代達羅斯計畫，只不過以更強大而且環保效果好一些的聚變力量代替核子彈。這個計畫的目標是向6光年以外的巴納德星(Barnard's star，是距離太陽系第二近的星)發射一個探測器，並用50年的時間到達那裡。

運轉場景

這個項目不是在象獵戶座那樣在外部爆炸，而是內部的發動機，在一個磁場構築的“燃燒室”中，向小燃料球照射發射電子束，產生離子。用磁場限制離子漿的辦法將比獵戶座計畫更高效，因為獵戶座計畫中核子彈的大部分爆炸能量都沒投射到船體上轉化為動力。

外形

探測飛船的質量為5.4萬噸，其中推進裝置重量是5萬噸，預計經過持續4年的加速後，可以達到光速的1/8。可以說代達羅斯計畫的理論是很有說服力的，設計上並沒有什麼突兀之處。有不少科學家認為我們執著於受控核聚變是沒有意義的，我們完全可以用不完全受控的核聚變來作為動力，而象獵戶座所需要的那些技術甚至在上世紀60年代末就已經存在了。

總的來說，核裂變發動機是相當現實的東西，而核聚變發動機則基本偏向科幻，需要很多技術突破才能變成現實。但裂變材料很稀缺，而用於核聚變的氘和氚卻很多，在近處的月球上尤其豐富。此外，核聚變還有大幅度降低輻射污染的前景，其方式是利用氫核(質子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反應，雖然反應困難而且產生的能量小，但不產生γ射線和中子，只產生α粒子，可以說是相當乾淨的反應。所以人們對核聚變發動機仍舊存在更大的期望。

核動力發動機

比衝量

(specific impulse)：“比衝量”是動力學家衡量火箭引擎效率的一種標準量，它是火箭產生的推力乘以工作時間再除以消耗掉的總燃料質量。如果力和質量都用千克，比衝量的單位就是秒。可以理解為火箭發動機利用一公斤燃料可以持續多少秒一直產生一公斤的推力。

比衝量越高，火箭的總動力越大，最終的速度越快，典型的固體火箭發動機的比衝量可以達到290秒，液體火箭主發動機的比衝量則是300至453秒。