核动力火箭的前世今生

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/06 08:33:46
核动力火箭的前世今生 (上)


2013-10-17



[据太空飞行新闻网站10月9日报道] 在阿波罗计划备受关注的20世纪60年代,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)科学实验室(如今为洛斯阿拉莫斯国家实验室)的科学家和工程师,致力于将人类快速送往火星甚至更远。他们当时建造并测试的核热火箭—推进系统,该火箭若是被研发成功,仅需四个月就能将载人飞船运抵火星,运抵土星卫星也仅需三年的时间。

如今NASA正重审当初那些核火箭的设计,着眼于将它们作为不久之后太空发射系统(Space Launch System)的一部分来使用,并有可能将核火箭用于载人火星旅行。

核热火箭(NTR)使用核反应堆加热流体(液氢是合适的工质),受热膨胀的气体经喷嘴喷出从而产生推力。核热火箭比化学火箭更轻更省推进剂,在理论上还可以达到更高的速度。但如何造出安全实用的核热火箭是一项工程挑战。

早在1940年代末,美国空军便在橡树岭进行了核推进的概念验证测试,但随后在弹道洲际导弹中舍弃了该项技术。而NASA于1955年重新设立“罗孚”(Rover)项目,从当初空军放弃的阶段开始继续研究,意图利用此项技术研制用于太空飞行的核热火箭。原子能委员会(AEC)负责设计和拼装反应堆,空间核动力推进办公室(SNPO)负责项目管理。

“罗孚”项目又被称为“火箭飞行器用核引擎”项目(NERVA)。1968年底,SNPO证实基于KIWI反应堆(NRX/XE)的“NERVA”项目可满足载人火星任务需求。(中国航天系统科学与工程研究院 孙棕檀 李金钊) 核动力火箭的前世今生 (上)


2013-10-17



[据太空飞行新闻网站10月9日报道] 在阿波罗计划备受关注的20世纪60年代,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)科学实验室(如今为洛斯阿拉莫斯国家实验室)的科学家和工程师,致力于将人类快速送往火星甚至更远。他们当时建造并测试的核热火箭—推进系统,该火箭若是被研发成功,仅需四个月就能将载人飞船运抵火星,运抵土星卫星也仅需三年的时间。

如今NASA正重审当初那些核火箭的设计,着眼于将它们作为不久之后太空发射系统(Space Launch System)的一部分来使用,并有可能将核火箭用于载人火星旅行。

核热火箭(NTR)使用核反应堆加热流体(液氢是合适的工质),受热膨胀的气体经喷嘴喷出从而产生推力。核热火箭比化学火箭更轻更省推进剂,在理论上还可以达到更高的速度。但如何造出安全实用的核热火箭是一项工程挑战。

早在1940年代末,美国空军便在橡树岭进行了核推进的概念验证测试,但随后在弹道洲际导弹中舍弃了该项技术。而NASA于1955年重新设立“罗孚”(Rover)项目,从当初空军放弃的阶段开始继续研究,意图利用此项技术研制用于太空飞行的核热火箭。原子能委员会(AEC)负责设计和拼装反应堆,空间核动力推进办公室(SNPO)负责项目管理。

“罗孚”项目又被称为“火箭飞行器用核引擎”项目(NERVA)。1968年底,SNPO证实基于KIWI反应堆(NRX/XE)的“NERVA”项目可满足载人火星任务需求。(中国航天系统科学与工程研究院 孙棕檀 李金钊)
核动力火箭的前世今生 (下)

2013-10-17

[据太空飞行新闻网站10月9日报道]“NERVA”项目曾雄心勃勃地计划将“NERVA”火箭作为太空拖船,把有效载荷从低地球轨道运抵更高轨道,并用“NERVA”驱动“土星”—V的上面级。但美国太空计划的预算削减使太空核推进成为现实(比预期早)的可能性破灭。国会失去了载人登火的兴趣,尼克松政府令阿波罗计划戛然而止,“土星”火箭生产线也难逃此运。洛斯阿拉莫斯实验室此后一直低成本地运转“罗孚”项目,直至1972年该项目被完全搁置。

展望未来:

四十年后,人们重燃对核发动机的兴趣:核发动机可用于运载火箭上面级,从更长远来看还可作为深空任务主要的推进系统。NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC)开展了一项为期三年的项目——核低温推进级(NCPS),该推进级可用于即将到来的太空发射系统。NCPS源于“NERVA”,但将得益于21世纪新技术,实现更高的反应堆堆芯温度和推重比。

自上次NASA试验NTR之后,地面核试验已被普遍禁止,研究者转而采用马歇尔核热火箭元素环境模拟器(NTREES),该设备利用非核材料对空间反应堆的众多关键要素进行模拟。对第一代核低温推进系统做出的优化,可帮助将重型货物和科学有效载荷送入地球轨道,并可以使宇航员更快地到达火星,从而减少受到有害空间辐射的影响。除此之外,对NTR系统进一步的研发改进,可以为太阳系载人探测提供高推力、高速度的方案。(中国航天系统科学与工程研究院 孙棕檀 李金钊)
如果阿波罗后续没有被砍的话,很可能80年代就能见到核动力载人火箭到达火星了。
一下子就化了,温度那么高


可不可以用超高温等离子作为工质,用微波加热,磁约束,这样可以不用考虑温度过高材料是否可以承受,比冲应该能到很高。还可以通过磁场改变推力方向。
美国好像在做。
磁约束我国做的不错,应该也做点这方面的研究

可不可以用超高温等离子作为工质,用微波加热,磁约束,这样可以不用考虑温度过高材料是否可以承受,比冲应该能到很高。还可以通过磁场改变推力方向。
美国好像在做。
磁约束我国做的不错,应该也做点这方面的研究
2013-10-18 21:22 上传

chenxiao86 发表于 2013-10-18 15:12
可不可以用超高温等离子作为工质,用微波加热,磁约束,这样可以不用考虑温度过高材料是否可以承受,比冲应 ...
你说的就是核热电磁推进技术,目前就是我国和美国在开展研究,以后能实用化的太空大型动力推进技术,只可能是聚变推进器和核热电磁推进。
chenxiao86 发表于 2013-10-18 15:12
可不可以用超高温等离子作为工质,用微波加热,磁约束,这样可以不用考虑温度过高材料是否可以承受,比冲应 ...
可以,但是电不够使是个难题。
猎杀m1a2 发表于 2013-10-18 21:22
可以,但是电不够使是个难题。
电能也可以通过核热转化,核热电磁推进的难点主要是电磁可控动量约束
光明救赎 发表于 2013-10-18 11:41
一下子就化了,温度那么高
所以传统的化学火箭的喷管结构不适合核裂变火箭。要突破新结构。
方啸被人用了 发表于 2013-10-18 21:25
电能也可以通过核热转化,核热电磁推进的难点主要是电磁可控动量约束
没有啊,我看见他说的是用“微波加热”啊。
chenxiao86 发表于 2013-10-18 15:12
可不可以用超高温等离子作为工质,用微波加热,磁约束,这样可以不用考虑温度过高材料是否可以承受,比冲应 ...
用热能发电,再把电能转化成微波加热,这中间浪费多少能量?

NTR的整体设计和普通液氢液氧火箭没有太大的差别,只是把燃烧室换成了反应堆,反应堆和喷管的冷却方式也都是再生冷却。
用热能发电,再把电能转化成微波加热,这中间浪费多少能量?

NTR的整体设计和普通液氢液氧火箭没有太 ...
没办法,再冷却喷管什么的,你工质和反应堆也不能太高温度,比冲还是上不去。必须用磁约束和非接触的加热才能达到远高于化学火箭发动机的比冲
你说的就是核热电磁推进技术,目前就是我国和美国在开展研究,以后能实用化的太空大型动力推进技术,只可 ...
是吗?我国也在设计吗?虽然难度技术大,但未来想征服太阳系,也就这个技术现实点。
聚变推进更好,但那个难度更大
可以,但是电不够使是个难题。
那是当然,唯有使用核电站了
没有啊,我看见他说的是用“微波加热”啊。
嗯,用核反应堆发电,然后微波加热。。。
用热能发电,再把电能转化成微波加热,这中间浪费多少能量?

NTR的整体设计和普通液氢液氧火箭没有太 ...
话说,你这种思想的人,在三体里,都被微流星砸死了。。。哈哈哈哈
chenxiao86 发表于 2013-10-19 07:42
是吗?我国也在设计吗?虽然难度技术大,但未来想征服太阳系,也就这个技术现实点。
聚变推进更好,但那 ...
聚变最安全也最干净但难度大,核热电磁推进实现可能很大,但是核污染核辐射也大。
2013-10-19 12:29 上传

cmj9808 发表于 2013-10-18 22:21
用热能发电,再把电能转化成微波加热,这中间浪费多少能量?

NTR的整体设计和普通液氢液氧火箭没有太 ...
喷管的喉缩部位热负荷太集中,而冷却面积却反而小。
这是难题,需要突破喷管技术。
cmj9808 发表于 2013-10-18 22:21
用热能发电,再把电能转化成微波加热,这中间浪费多少能量?

NTR的整体设计和普通液氢液氧火箭没有太 ...
直接喷射工质比发电——电推喷射主要的优点在于理论比冲前者更高。
仅需四个月就能将载人飞船运抵火星,运抵土星卫星也仅需三年的时间。

火星距地球最近5500万公里,四个月就是122天就是10540800秒,平均速度为5.218公里/秒。
土星距地球最近127740万公里,三年就是1096天就是94608000秒,平均速度为13.5公里/秒。
猎杀m1a2 发表于 2013-10-19 12:30
几种电推进系统,其中包含有你说的那种
我国搞得就是磁等离子推进,美国搞得是脉冲离子推进
emellzzq 发表于 2013-10-19 13:13
火星距地球最近5500万公里,四个月就是122天就是10540800秒,平均速度为5.218公里/秒。
土星距地球最近1 ...
不能这么算吧,飞行路径是曲线
chenxiao86 发表于 2013-10-19 07:30
没办法,再冷却喷管什么的,你工质和反应堆也不能太高温度,比冲还是上不去。必须用磁约束和非接触的加热 ...
我理解错了,你说的是核电推进,用反应堆发电,使用电推推进。核热推进NTR的优点是推力大,可以达到KN级,而电推最多也就是N级,对于载人火星任务来说核热推进更合适。

PS:用微波产生等离子体的电推已经有了,隼鸟号使用的电推就是。
猎杀m1a2 发表于 2013-10-19 12:44
直接喷射工质比发电——电推喷射主要的优点在于理论比冲前者更高。
电推比冲更高,3000-5000s,裂变热核推进大概是1000s左右,但是后者的推力比前者要高3个数量级,更适合大质量任务,比如载人火星探索。
坎巴拉里面我还是喜欢核推啊虽然核推很重,比冲也只有800....
purpleswords 发表于 2013-10-19 16:13
不能这么算吧,飞行路径是曲线
看相对物了。
牛头人火箭!
几种电推进系统,其中包含有你说的那种
谢谢科普!
我国搞得就是磁等离子推进,美国搞得是脉冲离子推进
能够详细的说说嘛?
我理解错了,你说的是核电推进,用反应堆发电,使用电推推进。核热推进NTR的优点是推力大,可以达到KN级 ...
哦,还以为推力可以很大呢。
这玩意,只要功率够大,推力应该也能很大吧。
隼鸟号毕竟功率有限。
要说核热推进当然在近期内用于登陆火星更有可行性,但毕竟其比冲也就是常规化学推进剂的几倍而已,用于建立火星基地可能还是力不从心吧
chenxiao86 发表于 2013-10-19 23:37
能够详细的说说嘛?
基于对未来大型太空飞行器的研究,美中俄在上世纪90年代都推出了自己的核热电磁推进发动机的构想,俄罗斯主攻方向是基于电弧加热射流方式的磁电弧推进,我国从上世纪开始了磁流体波动加速的研究,而美国在上世纪80年代则开始了脉冲等离子体的加速推进研究,后来俄罗斯受经济影响在20世纪初期停止了核热电弧的研究,我国集俄罗斯科学家的研究加上自身的技术,形成了系统的MPD技术,美国则在原有基础上形成了自己的ppt技术。
cmj9808 发表于 2013-10-19 17:50
电推比冲更高,3000-5000s,裂变热核推进大概是1000s左右,但是后者的推力比前者要高3个数量级,更适合大 ...
裂变热核推进理论比冲极限值是10万秒,电推理论比冲极限值是1万秒。
cmj9808 发表于 2013-10-19 17:50
电推比冲更高,3000-5000s,裂变热核推进大概是1000s左右,但是后者的推力比前者要高3个数量级,更适合大 ...
当然,就目前已有的实验装置和实物,电推的比冲是比核裂变火箭发动机实物比冲高。但是理论比冲极限值还是热力学火箭更高。
cmj9808 发表于 2013-10-19 17:46
我理解错了,你说的是核电推进,用反应堆发电,使用电推推进。核热推进NTR的优点是推力大,可以达到KN级 ...
当然,目前核热推进比电推的优势还只是最大推力,比冲不如电推的问题在于喷管耐热。
基于对未来大型太空飞行器的研究,美中俄在上世纪90年代都推出了自己的核热电磁推进发动机的构想,俄罗斯 ...
那咱们国家在这方面研究的进展如何呢?实践9上用的不是这种体质吧?
当然,就目前已有的实验装置和实物,电推的比冲是比核裂变火箭发动机实物比冲高。但是理论比冲极限值还是 ...
如果不用磁约束,喷管耐热问题不可能解决吧
chenxiao86 发表于 2013-10-20 10:22
那咱们国家在这方面研究的进展如何呢?实践9上用的不是这种体质吧?
对于核热电磁离子推进,航天方面的消息,争取50年达到实用化吧。俄罗斯那边也是和我们一样的。

美国搞的核热脉冲离子推进,和我们进展差不多。
chenxiao86 发表于 2013-10-20 10:24
如果不用磁约束,喷管耐热问题不可能解决吧
对,喷管的扩张段和推力室耐热问题不一定需要磁约束解决,因为热交换面积大。

问题就在于喉缩部位(即使气动塞式喷管也无法避免),热交换面积太小。

如果没有超级耐热材料或者超级换热材料,要想突破这个极限,只能用磁线圈产生的磁场起到喉缩的作用。