長(zhǎng)征五號(hào)成功發(fā)射之后，關(guān)心中國(guó)航天的朋友們一片歡騰，因?yàn)榇蠹叶贾?，?030年之前，中國(guó)有載人空間站的建設(shè)，月球采樣返回以及火星探測(cè)都要仰仗它！但在欣喜之余吃瓜群眾們肯定有一個(gè)問(wèn)題，核反應(yīng)堆能量那么大，可以用在火箭上嗎？聽(tīng)說(shuō)尼米茲可以十年不換燃料，如果用在火箭上，那不是太陽(yáng)系都飛出去了嗎？

關(guān)于核動(dòng)力火箭的黑歷史

其實(shí)核動(dòng)力火箭并不是一種新玩具，而是在核能利用如火如荼的上世紀(jì)五六十年代早已被蘇聯(lián)和美國(guó)玩爛了，根據(jù)美蘇當(dāng)時(shí)的研究成果，雙方都認(rèn)為這種火箭十分適合太空飛行，但后來(lái)卻不約而同的下馬了，原因有些復(fù)雜！

二戰(zhàn)剛結(jié)束，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)就提上了日程，最早核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)需求是飛機(jī)，因?yàn)楹藙?dòng)力超級(jí)能量密度，使得它一次裝載燃料，可以繞地球數(shù)圈不用降落，這對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)都是一種強(qiáng)大的誘惑，所以當(dāng)時(shí)技術(shù)力量的最強(qiáng)的美國(guó)和蘇聯(lián)都上馬了核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目！

1946年5月美國(guó)空軍主持下的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目開(kāi)始啟動(dòng)，蘇聯(lián)早期也已進(jìn)行了技術(shù)論證，但一直就停留在圖紙上上，當(dāng)?shù)玫矫绹?guó)進(jìn)展順利時(shí)，同樣也加入了這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)！當(dāng)時(shí)用在飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)打算利用核裂變加熱流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，

直接加熱空氣：存在比較大的放射性污染但效率比較高

間接加熱控制：不存在放射性污染，但效率稍低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

將大氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹后高速噴出來(lái)取得前進(jìn)的動(dòng)力，有點(diǎn)類似于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但這種模式在大氣層中使用并沒(méi)有什么問(wèn)題，但在宇宙空間使用時(shí)卻遇到了問(wèn)題，因?yàn)檎婵罩胁o(wú)大氣，所以這種向后噴出的介質(zhì)必須要火箭自身攜帶！

• 哪種介質(zhì)最合適？

以地球的條件來(lái)說(shuō)，水無(wú)疑是最豐富的，因?yàn)樗芏群芨?，非常適合用來(lái)作為介質(zhì)，但水在宇宙中并不容易取得，因此作為宇航級(jí)別的火箭，氫成了最好的選擇，因?yàn)樗?span style="margin: 0px;padding: 0px;border: 0px;font-style: inherit;font-variant: inherit;font-weight: 700;font-stretch: inherit;line-height: inherit;vertical-align: baseline;word-break: break-word;">導(dǎo)熱性好、太空中易取得、速度轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，而水則成了第二選擇，因?yàn)樗谔?yáng)系內(nèi)還是比較容易獲得的，比如小行星和衛(wèi)星上就存在大量的水！

• 用什么燃料？

當(dāng)然是比較容易獲得的U235了，而且有制造原子彈時(shí)的濃縮經(jīng)驗(yàn)，將U235處于高濃度下裂變（90%），尼米茲航母的核燃料也是這個(gè)級(jí)別，它可以達(dá)到13年更換一次核燃料的水平！可以以及使用安全的減速劑，早期用的反應(yīng)堆是石墨，但這在太空中顯然不合適，因?yàn)槭邷叵聲?huì)和氫反應(yīng)生成乙炔和甲烷，一來(lái)容易積聚氣體爆炸，而來(lái)還容易形成積碳，因此在核火箭反應(yīng)堆中用的是氧化鋯！

• 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用什么循環(huán)？

正常情況下用什么循環(huán)問(wèn)題并不大，畢竟核火箭有的是熱量，因此循環(huán)選擇一旦不合適可能會(huì)導(dǎo)致堆芯融毀的嚴(yán)重事故，因此美國(guó)人在驗(yàn)證了開(kāi)始循環(huán)后發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的問(wèn)題，比如介質(zhì)流量不夠時(shí)，如果吸收中子的控制棒沒(méi)有及時(shí)降低功率，那么堆芯就可能出現(xiàn)融毀的風(fēng)險(xiǎn)，后期正式測(cè)試時(shí)選用了筆試循環(huán)。

右為閉式循環(huán)

• 核動(dòng)力火箭的命運(yùn)如何呢？

大家都知道核火箭沒(méi)有流行起來(lái)，因?yàn)槊绹?guó)的核火箭項(xiàng)目在1972年已經(jīng)徹底終止，原因很簡(jiǎn)單，無(wú)法控制它的安全系數(shù)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)核反應(yīng)堆加熱的介質(zhì)具有放射性，而且它可能在通過(guò)大氣層時(shí)發(fā)生爆炸和墜毀，將會(huì)長(zhǎng)期大面積的污染環(huán)境！

1962年9月1日在內(nèi)華達(dá)州沙漠中測(cè)試了第二代KIWI-B系列反應(yīng)堆，在將反應(yīng)堆提升功率到90%后不到一分鐘，超壓將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，二氧化鈾和裂變產(chǎn)生的放射性同位素通過(guò)噴管直接排入了大氣！

1962年11月30日測(cè)試時(shí)，功率達(dá)到25%時(shí)候反應(yīng)堆堆芯損壞，檢查后發(fā)現(xiàn)堆芯被震動(dòng)所破壞，部分已經(jīng)斷裂！

“KIWI-TNT”破壞性試驗(yàn)

為避免后續(xù)使用中出現(xiàn)難以預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)，1965年1月12日進(jìn)行了“KIWI-TNT”破壞性試驗(yàn)，即人為將反應(yīng)堆置于超臨界狀態(tài)，比如控制棒卡住無(wú)法吸收中子時(shí)將會(huì)有多少時(shí)間來(lái)處理事故？答案是156毫秒，相信即使是計(jì)算機(jī)都來(lái)不及反應(yīng)，所以這種核火箭存在的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)在難于預(yù)估。

盡管最后NASA認(rèn)為核動(dòng)力火箭非常適合太空飛行，但核火箭項(xiàng)目還是在1972年被終止！而1972年核火箭方案終結(jié)前洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的研究已經(jīng)表明，采用全流量閉式膨脹循環(huán)的NTR，推力72kN，液氫流量在 8.5 kg/s時(shí)比沖達(dá)到 874.8s！我們來(lái)看看常用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖：

常規(guī)火箭的比沖

除了離子電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)以外，核火箭秒殺一切燃料火箭！

還有那些不靠譜的核動(dòng)力方案？

除了核裂變火箭以外，還有利用衰變能的火箭，這個(gè)功率無(wú)法調(diào)節(jié)，比沖比較低，而且無(wú)法關(guān)閉，因?yàn)樗プ円恢倍荚诎l(fā)生，即使不產(chǎn)生推力時(shí)也需要散熱！這個(gè)其實(shí)并不太適合！但除了這種溫柔的發(fā)動(dòng)機(jī)以外還有幾種大跌眼鏡的發(fā)動(dòng)機(jī)：

• 核爆的核脈沖推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)

這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，即利用核爆產(chǎn)生的沖擊波產(chǎn)生推力，這有幾個(gè)問(wèn)題，其一就是大氣層中有大氣作為核爆的沖擊波，但太空中則沒(méi)有，因此需要核彈周?chē)镔|(zhì)作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，監(jiān)管這效率比較低，但仍然可以接受！

其二則是這個(gè)沖擊是脈沖式的，將會(huì)導(dǎo)致巨大的沖擊，即使是設(shè)備都難以承受，人類可以嗎？答案是沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)置相應(yīng)的沖擊吸收裝置后完全沒(méi)有問(wèn)題！

研究人員利用常規(guī)炸藥測(cè)試獲得成功

盡管測(cè)試表明可以獲得推力，但這中暴力方式仍然沒(méi)有人敢于操作，在大氣層內(nèi)丟核彈無(wú)疑自尋死路，因此后期的計(jì)劃是將飛船先用普通火箭發(fā)射出大氣層再在宇宙空間中啟動(dòng)這種模式！

傳說(shuō)中的丟核彈飛船：獵戶座的發(fā)射過(guò)程

以小當(dāng)量的核彈為推進(jìn)動(dòng)力的效率盡管極低，但因?yàn)楹藦棻旧砟芰繕O高，因此小當(dāng)量的核彈推進(jìn)速度依然讓人羨慕不已，但這個(gè)瘋狂的計(jì)劃在1963年走到了盡頭，因?yàn)椤督乖诖髿鈱雍屯鈱涌臻g進(jìn)行核試驗(yàn)條約》于當(dāng)年生效，這個(gè)計(jì)劃壽終正寢！

核聚變推進(jìn)型火箭

核聚變推進(jìn)方式有兩種，一種是聚變直噴，比如《三體》中的無(wú)工質(zhì)聚變堆推進(jìn)（其實(shí)是有工質(zhì)的），另一種則是光子火箭，后者推進(jìn)效率太低幾乎就無(wú)人考慮！

• 聚變直噴

將聚變成生的大量氦核（帶正電），質(zhì)子（正電）以及電子（帶負(fù)電）通過(guò)磁場(chǎng)引導(dǎo)的方式高速排出，這個(gè)速度比常規(guī)的電推進(jìn)噴氣速度要高得多，因此它的推重比非常高！比如理應(yīng)氦三和氦三的聚變反應(yīng)，沒(méi)有討厭的中子問(wèn)題，因此使用磁場(chǎng)可以控制所有產(chǎn)生的帶電粒子，效率很高！

歷史上最著名的聚變直噴計(jì)劃就是“代達(dá)羅斯”計(jì)劃，它使用氦三和氘聚變，產(chǎn)生的中子非常少，易于控制，使用氘和氦三的燃料小球在慣性約束條件下使用電子束轟擊下聚變，產(chǎn)生的帶電粒子在電場(chǎng)控制下以每秒超過(guò)1萬(wàn)千米的速度排出尾噴口，最終將飛船加速度到光速的1%！

這是一個(gè)極其宏偉的計(jì)劃，因?yàn)榇_(dá)羅斯飛船的總質(zhì)量高達(dá)5.5萬(wàn)噸，大約是現(xiàn)代最大的航母一半質(zhì)量，這艘龐大的飛船絕大部分都是燃料，而它最終只能在近地軌道上組裝，但我們可以想象的是，國(guó)際空間站僅僅只有400噸就花了十幾年，不知道這艘5.5萬(wàn)噸的飛船需要多久時(shí)間才能完成。

巴納德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

除了代達(dá)羅斯飛船自帶燃料外，還有一種巴納德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式的聚變推進(jìn)模式，這種模式下飛船不攜帶燃料，而是采用一個(gè)數(shù)千米直徑甚至更大的磁場(chǎng)收集星際空間中的氫原子作為聚變推進(jìn)的燃料，有些類似大氣層中的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因此巴納德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以此得名！