导弹火箭为什么不用核动力?
导弹火箭为何不采用核动力?核动力火箭确实存在,但现有技术条件下,其推重比相对较低,且造价高昂、污染严重。这使得核动力火箭在导弹和地球轨道航天器的应用上存在局限性。
导弹作为一次性武器,成本高昂是其一大特点。核动力火箭高昂的造价显然不符合导弹的经济性要求。导弹的设计追求高效能、低成本,而核动力火箭的高成本与导弹设计原则相冲突。
地球轨道航天器对环境的污染问题也需考虑。核动力火箭产生的核废料对环境和人类健康构成潜在威胁,这与地球轨道航天器追求的清洁、环保目标相悖。因此,从环境保护的角度出发,核动力火箭不适合用于地球轨道航天器。
综合来看,导弹火箭不采用核动力的原因主要在于其经济性和环境影响。导弹追求高效能、低成本,而核动力火箭的高成本不符合导弹的经济性要求。同时,地球轨道航天器追求清洁、环保,核动力火箭的环境污染风险与之相冲突。这些因素共同限制了核动力火箭在导弹和地球轨道航天器领域的应用。
核动力火箭感生放射性
物质在高放射性环境中经历辐射作用,原子核会变化,产生放射性。目前,以核裂变型反应堆为依托的原子能火箭构思基本成熟,但发展面临投资短缺、速度限制和环境问题等挑战。如果可控核聚变技术得以实现并小型化,核聚变反应堆可成为火箭动力的新选择。与核裂变类似,核聚变能提供巨大能量,相同重量的燃料可以驱动火箭达到每秒100千米以上的速度,这在激光照射下的核燃料聚变实验中已接近实现。
激光核聚变反应堆的优势在于小型化潜力大,无需大型约束腔,也不依赖外部强磁场。这种技术对于星际飞船级别的应用前景广阔。另一方面,磁约束的“托卡马克”装置在高温控制方面取得进展,尽管其体积较大且需要超导磁体,但对于大型星际飞船却可能是可行的,因为其优点在于能长时间高负荷持续工作,不同于激光堆,其燃料消耗完后需暂停以重新装填。
核动力火箭发明背景
早在20世纪初,俄国航天先驱齐奥尔科夫斯基在得知镭的放射性特性后,提出了一个大胆设想:只需微小的镭就能驱动火箭挣脱太阳系的引力。这一设想在科幻界引起广泛关注。H.G.威尔斯在1914年《获得自由的世界》中描绘了核能可能带来的战争惨状;1926年,雷金纳德-格罗索普在《太空孤儿》中将原子能与神秘力量结合,预示了其未来应用的可能性。
然而,直到1938年核裂变的发现,核动力和核武器才从科幻步入现实。原子核的能量潜力被揭示后,军事应用迅速展开,同时和平利用的尝试也随之启动。核电站和核动力船舶迅速成为现实,但核动力飞机的尝试遭遇挫折,因为大多数飞机无法承载巨大的反应堆。直到1950年代,美国B-36型飞机的出现才让装反应堆成为可能,但其机载反应堆功率输出难以满足飞机的需求,导致美国放弃了将其改造成核动力的计划。
问题在于,尽管核反应堆能量巨大,但在转化为动力的过程中的效率问题使其在飞机应用中表现不佳。船用核反应堆采用两回路系统,通过加热水产生蒸汽来驱动,但对于飞机来说设计过于庞大且沉重,反而削弱了高功率带来的优势。在太空中,飞船的动力来源并非螺旋桨,因此,现有的核动力系统并不适用于飞船,它们无法依赖空气反作用力来产生推力。
人类为啥需要核动力火箭?核动力火箭的优势是什么?
从世界上第一个支火箭发射至今,我们会发现现代火箭的速度提升并不显著。然而,在浩瀚的太空中,更快的火箭可以帮助我们更快速地到达目标,甚至载人到更遥远的星际去旅行。随着载人登火星计划不断提上日程,科学家们也在思考如何提高火箭速度。核火箭似乎是一个可行的答案,但同时令人畏惧。
宇宙-954
苏联曾在卫星中装入核反应堆发射到太空,但由于核燃料的敏感性以及国际压力,该项目最终被取消。苏联的卫星坠落到地球表面后,美国和加拿大开展了回收残骸的项目,一些卫星碎片仍然具有强放射性,苏联由此支付了300万加元的赔偿。随着管制核空间飞行的法律改变,下一代火箭的研制工作已经开始。
旅行者1号
在太空旅行中,火箭需要发射以使飞船进入预定轨道。飞船必须获得足够加速度来逃离地球引力,在此情况下核动力系统可以发挥作用。如果要探测遥远物体,就需要使用更强的动力和高能量燃料。
更快的火箭可以减少宇航员暴露在太空辐射的时间,显著提高航行效率:例如,飞向海王星耗时12年,对人类寿命而言,这段时间显得过长。
推进系统
推进系统主要有火箭推进系统和航空推进系统。飞船要逃离地球引力,需要推进系统提供加速度及推力;同时需要考虑单位燃料产生的能量和推力的质量效率。
目前大多使用的推进系统包括太阳能电力推进和化学推进。化学推进系统能提供较大推力,但是效率相对较低;而电力推进系统主要利用太阳能电池板产生的电力,常见方法是使用电场加速离子,尽管质量效率较高,但推力相对较小,能量来源在远离太阳时存在问题。
核动力火箭
核动力火箭的优势在于理论上克服了太阳能和化学推进系统的缺点。它的能量密度极高,使用铀作为燃料的核反应堆能量密度比联氨高出400万倍。相较于数十万加仑的燃料,核动力火箭只需少量铀就能将火箭送入太空。
两套方法,两个系统
工程师们基于核系统设计了两种方案:
- 第一种叫做核热推进。该系统强大且效率一般,通过制造小型核裂变反应堆,利用加热氢气等气体后加速提供推力。NASA的工程师估计,使用核热推进技术的火星之旅将比化学燃料火箭缩短20%-25%,并且效率是化学推进系统的两倍。
- 第二种是核电力推进。其基本原则是利用高能裂变反应堆产生电力,为电力推进系统提供动力,推力大约比核热推进系统高出三倍。由于核反应堆能产生大量能量,许多电力推进器可以同时运行来产生巨大的推力。
尚未实现的原因
尽管核动力火箭的优越性非常突出,但安全问题是非常值得关注的。将反应堆送入太空的后果曾经是非常严重的。尽管如此,为了追求更快更强的动力,科学家们可能会继续研究核能火箭。在确保飞行员健康安全的前提下,核动力火箭的研究是否值得继续?您的看法是什么?
发表评论