基本介紹
發展沿革,特點,組成結構,工作原理,分類,套用前景,
發展沿革
20世紀50年代末，科學家和工程師們對核技術套用研發正處於高漲的熱情中。核潛艇已經下水，證明了里科弗將軍戰略眼光的正確性。隨後，核動力艦船，核動力飛機甚至核動力汽車的構想也如雨後春筍般湧現出來。
此時，使用化學推進劑的火箭發動機還不能充分滿足航天的速度要求，為了創造更高的飛行速度，火箭技術進一步發展的方向是在火箭發動機中利用核能在核裂變和核聚變過程中釋放出的能量，遠遠超過化學推進劑在燃燒過程中釋放出的能量（單位質量核裂變的能量等於單位質量化學變化放出能量的106倍），這樣高的能量被釋放出來，可以使火箭發動機的性能有極大的提高。
在核技術發展的大潮下，航天領域的核動力火箭設計也被提上日程，洛斯·阿拉莫斯實驗室開展了一項旨在研究核火箭發動機技術——ROVER計畫。此計畫中，火箭發動機所用的核反應堆實際上是一種開式循環冷卻的高溫氣冷堆，這類反應堆的堆芯溫度很高（達幾千K)，且使用分子量最小的液氫做冷卻劑，以提高比沖(火箭發動機燃燒單位重量推進劑產生的衝量)。被高溫堆芯加熱至2500~3000K的氫氣從噴管中高速噴出，最高可獲得的比沖，是氫氧化學火箭發動機的兩倍多。由此揭開了核火箭發動機研製的序幕。
蘇聯核火箭發動機研究同樣起步於20世紀50年代中期，凱爾迪什熱過程研究所、庫爾恰托夫原子能研究所等機構承擔起了這一重任。
在堆型選擇上，蘇聯選擇了他們所熟悉的非均質堆芯，碳化鈾-碳化鋯-碳化鈮三元碳化物核燃料與氫化鋯慢化劑。所謂非均質堆芯是指將易裂變物質與慢化劑分開布置，而美國的反應堆中使用的是碳化鈾與慢化劑石墨混合組成的燃料組件。
在發動機循環方式上，閉式循環是蘇聯人的優先選擇，當時正在開發的RD-253等閉式循環發動機為這種技術的套用提供了堅實基礎。在閉式循環中，液氫經過再生冷卻噴管後，流經慢化劑層和控制鼓吸熱後，驅動渦輪泵，渦輪排氣注入堆芯吸熱噴射產生推力。為了提高驅動渦輪的氫的熱力參數，科研人員在慢化劑中也加入了少量的易裂變鈾。
蘇聯方案能獲得比ROVER/NERVA更高的發動機性能，根據組件試驗數據，計算出核火箭發動機RD-0410的排氣溫度達3000K。發動機的推力小於美國，為20~30kN。此方案的一個重要優勢是可以將單個燃料組件置於研究堆中進行試驗，無需進行全堆試車，降低了研發成本。為驗證核火箭發動機的設計，蘇聯建造了RD-0410的原型發動機裝置，用電加熱器進行了試驗，試驗取得了比較好的成果。蘇聯對核火箭發動機的研究工作一直持續進行到它解體。之後，俄羅斯在此方面的研究很少有公開報導。
美國和前蘇聯對核火箭發動機的研究走在世界前列，同時也推動了全球範圍核心火箭發動機的研究。
特點
核火箭發動機組成結構
核火箭發動機由裝在推力室承壓殼體內的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統和控制系統組成。在核反應堆中，核能轉變為熱能，加熱工質。核火箭發動機使用的工質都是低分子量物質，如液氫、液氦和液氨等。輸送系統將工質先送入噴管冷卻套冷卻推力室，然後進入反應堆加熱，最後通過噴管膨脹加速排出。發動機控制系統調節工質的流量和控制反應堆的功率。核火箭發動機雖然從60年代初就開始研製，但至今尚處於試驗階段，未能實用。研製中存在的主要技術問題是輻射防護、排氣污染、反應堆的控制和高效率換熱器的設計等。
工作原理
這裡所說的核火箭發動機，指核熱發動機。其工作原理與化學火箭發動機沒有顯著差別，所不同的是工質(推進劑）的受熱，化學火箭發動機的工質是用化學能加熱，核熱發動機則是用核反應釋放出的熱能加熱，現以核能裂變的核火箭發動機工作過樣為例，說明在發動機中如何利用核能。如圖5-15所示：
核反應堆是一種使放射性物質在其中受到可調節的核裂變反應而產生新的放射性物質和能量的裝置，所釋放出的能量隨之變成熱能，工質經過反應堆時被加熱，加熱後的工質進入噴氣管，以高速排出。
氫的分子量小，是一種很好的工質。工質的輸送系統包括渦輪泵和流量控制機構(控制閥門），這種輸送系統在特性上與液體火箭發動機的泵式輸送系統基本上相同，不同的是這種發動機僅有一種液體工質。用泵將液氫經管路送入冷卻套，成為氫氣，一部分推動渦輪，另一部分進入反應堆加熱，再入噴管進行熱力膨脹排氣。反應堆由芯部、反射器和控制機構組成。芯部里裝有核反應中釋放熱能的可裂變物質（U235的棒狀或板狀元件）；在反應堆周圍的反射器依靠散射將大部分逃逸的中子返回到反應堆，用來保存反應堆內中子，以防漏失；反應堆反應速率的控制方法是在反射器內放置控制元件(控制棒），它由吸收中子性能很強的材料製成。其作用是吸收反應堆裂變放出的中子，以控制反射能力，降低反應速率；禁止的作用是保護飛行器上各個重要部件免受射線的輻射。
核火箭發動機由於有核能源，並採用分子量低的氫作為工質，因此，可得到高的排氣速度。核火箭推進較之化學火箭推進，比沖高兩倍或更多，可達7840〜9800Ns·kg。理論上，核反應可獲得非常高的溫度，但實際上，所能承受的溫度受到反應堆結構材料的限制。核火箭發動機的缺點是：有一個笨重的核反應堆，增加了發動機質量；反應堆發出強烈的核輻射，不能用於運載火箭第一級動力裝置，理想的核發動機除具有高的比沖，還應有重量輕的反應堆和防輻射的禁止，以及能承受高溫和熱應力的反應堆結構材料。
分類
裂變型核火箭發動機
圖20-4所示是固體堆芯式裂變型的核火箭發動機的原理圖。圖中6是由鈾-235或鈽-239的濃縮物製成的裂變反應堆，7、8分別是推力室的反應室和噴管。作為工質的液氫由進口管1進入，經過泵2加壓後，輸入推力室的冷卻套中，對推力室壁進行再生冷卻後，用它驅動渦輪3以帶動泵旋轉。從渦輪後排出的工質氫進入反應室7中，流經多孔反應堆，吸收裂變產生的熱量，然後流入噴管加速膨脹，以高速噴出而產生推力。這類核火箭發動機的比沖可高達7500m/s〜12000m/s。
另外一類是氣體堆芯式裂變型的核火箭發動機。其工作原琿是利用裂變反應使產物呈等離子狀態的氣體堆芯加熱工質氫，然後經噴管以高速噴出而產生推力。其比沖很高：50km/s〜100km/s。由於有很多技術難題有待解決，目前尚處於初期研究階段。
聚變型核火箭發動機
聚變又稱熱核反應，氫彈爆炸就是一種熱核反應。以其作為核火箭發動機的能源遇到的問題是，聚變獲得的能量比所消耗的能量還要少。另一個難題是點火，如果將來有可能用高能雷射輻射引發聚變燃料，才能在21世紀研製出用於星際航行的聚變型的核火箭發動機。
衰變型核火箭發動機
放射性同位素衰變型的火箭發動機，它利用鈽-238或釙-210衰變時釋放的能量加熱氫或氨等工質，然後經噴管以髙速噴出而產生推力。這種核火箭發動機可在幾個月時間內連續發出很小的推力，甚至可以小於1N。其比沖可達2500m/s〜8000m/s。很可能用作未來行星際航行的推進裝置或作為空間供電用的動力源。
套用前景
雖然各種核火箭發動機都具有吸引人的很髙的比沖，又很有可能成為21世紀人類實現星際航行的先進推進系統，但是目前普遍存在的難題是發動機部件和推力室殼體如何在長時間內承受極髙的溫度而不毀壞，裝在飛行器上如何解決核輻射的防護問題而又不過多地加重飛行器的質量。這些問題都有待人們一一解決。
