[科普中国]-核火箭发动机

发展沿革

20世纪50年代末，科学家和工程师们对核技术应用研发正处于高涨的热情中。核潜艇已经下水，证明了里科弗将军战略眼光的正确性。随后，核动力舰船，核动力飞机甚至核动力汽车的设想也如雨后春笋般涌现出来。

此时，使用化学推进剂的火箭发动机还不能充分满足航天的速度要求，为了创造更高的飞行速度，火箭技术进一步发展的方向是在火箭发动机中利用核能在核裂变和核聚变过程中释放出的能量，远远超过化学推进剂在燃烧过程中释放出的能量（单位质量核裂变的能量等于单位质量化学变化放出能量的106倍），这样高的能量被释放出来，可以使火箭发动机的性能有极大的提高。2

在核技术发展的大潮下，航天领域的核动力火箭设计也被提上日程，洛斯·阿拉莫斯实验室开展了一项旨在研究核火箭发动机技术——ROVER计划。此计划中，火箭发动机所用的核反应堆实际上是一种开式循环冷却的高温气冷堆，这类反应堆的堆芯温度很高（达几千K)，且使用分子量最小的液氢做冷却剂，以提高比冲(火箭发动机燃烧单位重量推进剂产生的冲量)。被高温堆芯加热至2500~3000K的氢气从喷管中高速喷出，最高可获得的比冲，是氢氧化学火箭发动机的两倍多。由此揭开了核火箭发动机研制的序幕。3

苏联核火箭发动机研究同样起步于20世纪50年代中期，凯尔迪什热过程研究所、库尔恰托夫原子能研究所等机构承担起了这一重任。3

在堆型选择上，苏联选择了他们所熟悉的非均质堆芯，碳化铀-碳化锆-碳化铌三元碳化物核燃料与氢化锆慢化剂。所谓非均质堆芯是指将易裂变物质与慢化剂分开布置，而美国的反应堆中使用的是碳化铀与慢化剂石墨混合组成的燃料组件。3

在发动机循环方式上，闭式循环是苏联人的优先选择，当时正在开发的RD-253等闭式循环发动机为这种技术的应用提供了坚实基础。在闭式循环中，液氢经过再生冷却喷管后，流经慢化剂层和控制鼓吸热后，驱动涡轮泵，涡轮排气注入堆芯吸热喷射产生推力。为了提高驱动涡轮的氢的热力参数，科研人员在慢化剂中也加入了少量的易裂变铀。3

苏联方案能获得比ROVER/NERVA更高的发动机性能，根据组件试验数据，计算出核火箭发动机RD-0410的排气温度达3000K。发动机的推力小于美国，为20~30kN。此方案的一个重要优势是可以将单个燃料组件置于研究堆中进行试验，无需进行全堆试车，降低了研发成本。为验证核火箭发动机的设计，苏联建造了RD-0410的原型发动机装置，用电加热器进行了试验，试验取得了比较好的成果。苏联对核火箭发动机的研究工作一直持续进行到它解体。之后，俄罗斯在此方面的研究很少有公开报道。3

美国和前苏联对核火箭发动机的研究走在世界前列，同时也推动了全球范围内核火箭发动机的研究。

特点这种发动机的比冲高、寿命长，但技术复杂，只适用于长期工作的航天器，也可用于运载火箭的高能末级。核火箭发动机根据核反应方式的不同分为三种类型：放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型。相应的发动机称为放射性同位素火箭发动机、核裂变型火箭发动机以及热核火箭发动机。核反应堆中的核反应物质依状态不同分为固体堆芯和气体堆芯。放射性同位素火箭发动机的推力较小,一般在1牛以下，比冲为250～800米/秒。核裂变型火箭发动机比冲较高，采用固体堆芯可达750～1200米/秒,采用气体堆芯则高达5000～10000米/秒。4

组成结构核火箭发动机由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。在核反应堆中，核能转变为热能，加热工质。核火箭发动机使用的工质都是低分子量物质，如液氢、液氦和液氨等。输送系统将工质先送入喷管冷却套冷却推力室，然后进入反应堆加热，最后通过喷管膨胀加速排出。发动机控制系统调节工质的流量和控制反应堆的功率。核火箭发动机虽然从60年代初就开始研制，但至今尚处于试验阶段，未能实用。研制中存在的主要技术问题是辐射防护、排气污染、反应堆的控制和高效率换热器的设计等。4

工作原理这里所说的核火箭发动机，指核热发动机。其工作原理与化学火箭发动机没有显著差别，所不同的是工质(推进剂）的受热，化学火箭发动机的工质是用化学能加热，核热发动机则是用核反应释放出的热能加热，现以核能裂变的核火箭发动机工作过样为例，说明在发动机中如何利用核能。如图5-15所示：

核反应堆是一种使放射性物质在其中受到可调节的核裂变反应而产生新的放射性物质和能量的装置，所释放出的能量随之变成热能，工质经过反应堆时被加热，加热后的工质进入喷气管，以高速排出。2

氢的分子量小，是一种很好的工质。工质的输送系统包括涡轮泵和流量控制机构(控制阀门），这种输送系统在特性上与液体火箭发动机的泵式输送系统基本上相同，不同的是这种发动机仅有一种液体工质。用泵将液氢经管路送入冷却套，成为氢气，一部分推动涡轮，另一部分进入反应堆加热，再入喷管进行热力膨胀排气。反应堆由芯部、反射器和控制机构组成。芯部里装有核反应中释放热能的可裂变物质（U235的棒状或板状元件）；在反应堆周围的反射器依靠散射将大部分逃逸的中子返回到反应堆，用来保存反应堆内中子，以防漏失；反应堆反应速率的控制方法是在反射器内放置控制元件(控制棒），它由吸收中子性能很强的材料制成。其作用是吸收反应堆裂变放出的中子，以控制反射能力，降低反应速率；屏蔽的作用是保护飞行器上各个重要部件免受射线的辐射。2

核火箭发动机由于有核能源，并采用分子量低的氢作为工质，因此，可得到高的排气速度。核火箭推进较之化学火箭推进，比冲高两倍或更多，可达7840〜9800Ns·kg。理论上，核反应可获得非常高的温度，但实际上，所能承受的温度受到反应堆结构材料的限制。核火箭发动机的缺点是：有一个笨重的核反应堆，增加了发动机质量；反应堆发出强烈的核辐射，不能用于运载火箭第一级动力装置，理想的核发动机除具有高的比冲，还应有重量轻的反应堆和防辐射的屏蔽，以及能承受高温和热应力的反应堆结构材料。2

分类裂变型核火箭发动机图20-4所示是固体堆芯式裂变型的核火箭发动机的原理图。图中6是由铀-235或钚-239的浓缩物制成的裂变反应堆，7、8分别是推力室的反应室和喷管。作为工质的液氢由进口管1进入，经过泵2加压后，输入推力室的冷却套中，对推力室壁进行再生冷却后，用它驱动涡轮3以带动泵旋转。从涡轮后排出的工质氢进入反应室7中，流经多孔反应堆，吸收裂变产生的热量，然后流入喷管加速膨胀，以高速喷出而产生推力。这类核火箭发动机的比冲可高达7500m/s〜12000m/s。5

另外一类是气体堆芯式裂变型的核火箭发动机。其工作原珲是利用裂变反应使产物呈等离子状态的气体堆芯加热工质氢，然后经喷管以高速喷出而产生推力。其比冲很高：50km/s〜100km/s。由于有很多技术难题有待解决，目前尚处于初期研究阶段。5

聚变型核火箭发动机聚变又称热核反应，氢弹爆炸就是一种热核反应。以其作为核火箭发动机的能源遇到的问题是，聚变获得的能量比所消耗的能量还要少。另一个难题是点火，如果将来有可能用高能激光辐射引发聚变燃料，才能在21世纪研制出用于星际航行的聚变型的核火箭发动机。5

衰变型核火箭发动机放射性同位素衰变型的火箭发动机，它利用钚-238或钋-210衰变时释放的能量加热氢或氨等工质，然后经喷管以髙速喷出而产生推力。这种核火箭发动机可在几个月时间内连续发出很小的推力，甚至可以小于1N。其比冲可达2500m/s〜8000m/s。很可能用作未来行星际航行的推进装置或作为空间供电用的动力源。5

应用前景虽然各种核火箭发动机都具有吸引人的很髙的比冲，又很有可能成为21世纪人类实现星际航行的先进推进系统，但是目前普遍存在的难题是发动机部件和推力室壳体如何在长时间内承受极髙的温度而不毁坏，装在飞行器上如何解决核辐射的防护问题而又不过多地加重飞行器的质量。这些问题都有待人们一一解决。5