|
核热火箭应用前景与展望 (2015-11-08 02:20:00) 1核热火箭概念及原理 核热火箭根据反应类型不同分为核裂变火箭和核聚变火箭。核裂变火箭采用具备极高能量密度的核热反应堆为能量源，以氢等小分子量的气体为工作介质，理论比冲能够达到1000s。工作介质流过核热反应堆吸收能量，产生高温高压的气体，气体进而膨胀高速喷出，产生推力。 核裂变火箭发动机原理 核热火箭主要包括两大部分：总体部分（贮箱、增压输送系统、涡轮泵及喷管）和核反应堆部分。 核聚变火箭的原理是采用等离子体喷射流技术，将等离子体流注入火箭喷嘴，在强大磁场作用下引发核聚变产生足够能量，迅速加热并导致锂金属外壳在磁场控制下的喷嘴区域蒸发，高速（>30km/s）喷出火箭喷管从而产生推进动力，比冲能达到2400～5700s。 核聚变发动机工作原理 2国内外发展现状及趋势 纵观核热火箭动力方面的研究，主要集中在美国和苏联/俄罗斯，两国几乎同时在20世纪50年代中期启动核热火箭发动机研究计划，虽经历多次起伏，但仍然取得了巨大成就，为空间应用奠定了坚实的基础。 美国 自1955年以来，美国政府实施了多个核火箭计划，其中最著名的便是“核火箭开发计划”（ROVER）和“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”（NERVA），另外还有“空间核热推进计划”（SNTP）、“太空探索倡议”(SEI)计划、“普罗米修斯计划”、“载人登陆火星计划”以及一些新概念。 …… 苏联/俄罗斯 苏联对于核热火箭推进的研制历程比较平稳，持续时间也较长。从1953年开始，多家研究院、设计局、实验室均参与了研究、设计和试验，建立了大型核发动机试验基地，研制了多台不同推力/不同结构方案的核热火箭发动机并开展大量的试验，取得了重大成果。 …… RD－0410核火箭发动机 国外发展趋势 （1）模块化、小型化 美俄重点发展推力30~100kN、比冲900s以上的核热火箭发动机。将多个这种规模的核热火箭发动机捆绑使用，可以满足不同的任务需求。在具体研究方案上，将核热火箭发动机的组成部分进一步模块化、小型化，减小系统重量，对各模块进行单独试验，并注重采用非核试验方式，降低试验难度，节省研制费用。 （2）开发新型核燃料 在核热火箭发动机所用的核燃料方面，俄罗斯大力发展三元碳化物燃料及碳化物-氮化物燃料，美国则重点研发石墨基体燃料和钨金属陶瓷燃料，更高性能的核反应堆燃料对核热推进技术研究可以起到重大推动作用。 （3）双功能模式 在核热火箭发动机中附加一个发电模块，可实现推进/发电两大功能，一方面可直接用于核热火箭推进，另一方面也可为航天器提供充足的电力供应。此外，也可在航天器上增加电推进系统，在脱离星球引力时使用具有高推重比的核热推进方式快速加速，在行星际间飞行时则切换为具有高比冲的电推进方式，这样可以延长反应堆的寿命，从而实现更远距离的探测任务。 国内发展现状 早在1949年，钱学森先生就提出了发展核热火箭的设想，并就核热火箭开展了一些基础研究。时至今日，相比国外的研究成果，我国的技术基础尚浅，还需要进行大量的研究工作，以突破相关关键技术。虽然核热火箭技术的研究基础较为薄弱，但我国反应堆工程技术基础却比较雄厚。以中国原子能科学研究院为例，其在反应堆的堆芯物理实验及理论计算和分析、反应堆热工试验及计算和分析、反应堆结构、反应堆材料、反应堆的各个系统和设备等方面开展过大量的工作，具有丰富的实践经验和雄厚的技术基础。 3工程应用制约因素技术层面 未来将核热火箭动力应用于工程研制中，尚存在以下关键技术需要解决，主要涉及到核热火箭总体技术、核热火箭发动机技术、核反应堆技术和核反应系统环保技术等。 （1）运载器总体技术 …… （2）核热发动机技术 …… （3）核反应堆相关技术 …… （4）核反应系统环保技术 …… 政策层面 美国“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”取得了巨大的成功，通过开展6次核热火箭发动机热试车，考核了各项工作性能，发动机及其系统的设计不断得到完善，验证了技术可行性和结构完整性、可靠性以及多次启动能力，完全具备开展样机飞行试验的技术基础，但最终还是在1972年停止，原因就在于美国国家政策层面决定探月工程采用化学推进形式而不是核热火箭推进。在完成探月工程后，NASA将发展重点调整为行星际无人探测器，仍然采用化学推进作为动力，使核热火箭的研究工作再次失去了需求牵引，缺少政策和财政支持。 …… 法律层面 核热推进不同于传统化学推进，其自身携带核反应系统，涉及到核安全的问题。运载器从地面起飞到入轨过程中若发生事故，核反应系统残骸的陨落将可能带来核辐射污染问题；运载器入轨后，核热末级在轨运行，也涉及到国际空间核安全相关法律法规的问题。 …… 4未来应用设想应用于重型火箭末级 核热末级重型运载火箭方案可以现有的重型运载火箭方案为基础，助推器、一级和二级的方案基本不变，芯三级则采用核热火箭发动机，以液氢作为热交换和做功工质。采用核热末级的重型运载火箭具备发射地球轨道大型载荷的能力，可以有力支撑完成地球轨道大型平台的建设，如装备大型深空望远镜、空间太阳能电站，还可以支撑完成后续更大规模的载人登月以及月球基地的建设任务。 应用于轨道转移飞行器 随着航天技术的发展和未来对空间利益的争夺，我国在航天运输领域对轨道转移飞行器动力的在轨能力和速度增量提出了更高的能力需求，核热火箭动力具有长期在轨能力强、速度增量大、飞行时间短等优势，正好适应了这种能力需求。以核热火箭作为轨道转移飞行器的动力，可以支撑完成后续轨道机动平台部署和在轨飞行器空间转移等任务。 应用于探测火星等深空探测任务 深空探测是一个国家航天技术能力的象征，是提升国家政治影响力的有效途径，美国和俄罗斯均开展了大量的火星探测等深空探测研究工作。开展深空探测任务需要具有高性能空间运输能力的运载器，核热火箭动力将核能转化为热能是核能利用效率的最高的推进方式，可实现半年内载人登陆火星，是可预见的未来深空探测的首选，其空间应用将帮助人类以更小的代价实现更大规模的空间探索活动。 5结束语 核热火箭具有功率高、比冲大、工作时间长等特点，特别是随着推进系统工作时间的增加，核热火箭的质量优势更加明显，如作为深空探测或空间轨道运输级的动力，可大幅提高运载器的性能，是未来航天运输系统及航天动力技术发展的重要方向之一。中国应以航天运输系统的需求为牵引，尽早投入力量开展相应关键技术的研究工作。
|
|
|
