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2.设备复杂性:需要携带额外的能量转换设备、电力传输系统等,这些设备不仅增加了太空飞行器的质量,还存在磨损和维护需求。
因此,许多核动力推进设计方案都在尝试规避“通过热机发电”
这一步骤,例如核灯泡推进器、核热推进器、核脉衝推进器等。
加粗-核灯泡推进器
初看之下,核灯泡推进器可能会被误认为是一种光子火箭,而且它確实可以被改造为光子火箭。
但核灯泡推进器的核心设计目的是:
1.核心结构:採用一个工作温度约为22000开尔文的气態堆芯裂变反应堆;
2.石英壁设计:在反应堆外部设置一层石英壁,该石英壁对反应堆在22000开尔文温度下发射的辐射(主要是硬紫外线)具有透明性;
3.推进方式:
o若让紫外线直接从太空飞行器尾部射出,可构成一台功率较弱但性能稳定的光子火箭(由於核反应堆能量密度高,其效率仍优於传统化学火箭);
o更常见的设计是:让紫外线照射到推进剂上,推进剂吸收紫外线能量后被加热至高温,隨后高速喷出——这种方式的排气速度最高可达30000米秒,远高於目前最先进的化学火箭燃料,非常適合用於行星际太空飞行器。
加粗-核脉衝推进器
核脉衝推进器(也称为外部脉衝等离子体推进系统)最著名的应用实例是猎户座推进器。
其核心原理是:在太空飞行器后方引爆核弹,利用核爆炸產生的巨大能量推动太空飞行器加速。
核爆炸的能量与质量成正比,因此这种推进方式的能量密度极高。
但需要注意的是:
·並非所有核脉衝推进器都使用大型核弹或高频率爆炸;
·理想情况下,我们希望使用小型核弹,並实现近乎连续的爆炸,以產生类似“核火箭火焰”
的持续推力;
·但现实中,核弹的尺寸越大,成本通常越低、效率越高;
·因此,要实现“微型核爆炸”
(威力相当於常规炸弹甚至手榴弹),需要依赖超稀有人工元素或反物质催化核聚变技术。
核脉衝推进器的基本设计包括:
1.推板(pusherplate):在太空飞行器后方安装一块大型坚固的金属板,用於吸收或反射核爆炸释放的光子和粒子,將爆炸衝击力转化为向前的推力;
2.缓衝系统:推板与太空飞行器主体之间通过一组强力弹簧连接——核爆炸推动推板向前运动时,弹簧会缓慢压缩,將推板的“瞬时衝击力”
转化为对太空飞行器主体的“持续推力”
,避免太空飞行器因瞬间过载受损;
3.变体设计:美杜莎推进器是核脉衝推进器的一种变体,它在太空飞行器前方设置一个帆状结构,通过长繫绳与太空飞行器主体连接,核爆炸在帆状结构內部发生,推动帆状结构向前运动,进而通过繫绳拉动太空飞行器主体。
猎户座推进器是核脉衝推进器的首个主要设计方案,此外还有其他变体,例如“戴达洛斯计划”
——该计划设想利用雷射引爆含有氘氚触发剂的鋰氘pellets(与美国国家点火设施使用的雷射核聚变方法类似),通过小型核聚变爆炸驱动太空飞行器。
若未来能研发出可反射伽马射线的材料,將极大改善推板的性能——通过反射而非吸收伽马射线,可使推板获得两倍的动量,大幅提高推进效率。
这种材料对核聚变及其他高能物理应用也具有重要价值。
除了20世纪50-60年代的早期研究和后续的模擬计算外,核脉衝推进器尚未进行过全面的原型机测试,但理论上认为其技术是可行的,並且有能力將太空飞行器加速到足以实现星际旅行的速度。
想了解更多关於该技术及其变体的討论,可观看我们的《核选项》和《重振猎户座计划:核太空飞行器推进的新时代》节目。
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