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【转】美苏星际争霸鼎盛时期的核动力火箭发动机

发布时间:2019-07-05 23:29 来源:未知 编辑:admin

  这个发动机当时被设计建造起初是用于完成火星使命,它是KIWI工程的承接者。

  在60s中期到80s早期这段时间里,RD-0410是一系列真实存在的火箭发动机,在当时是值得人们为之骄傲的事情。

  所以说美国和俄罗斯都是有核动力火箭的制造技术储备的,只要有需要,完全可以立刻就拿来用!!

  中国到目前为止似乎在空间核动力领域还没有什么动作,应该赶快加紧在技术领域进行技术研发,要有技术储备,否则只会被美国俄罗斯甩的越来越开。

  这是以核分裂作动力源的推进系统。其燃料主要是铀235或是钸239。就能量利用方式的不同可以分几个支系。以火箭系统的支系而言,是以核分裂燃料产生热,加热燃烧室中的工作流质(即推进剂)使其喷出。通常采用分子量最低的氢作为获得反作用力的工作流质以求得最高的喷气速度。美国在六零年代曾经进行过一项称之为「核子引擎火箭推进系统应用」的研究计画,(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications,NERVA)测试过这类核子火箭的可能性。

  NERVA没有实际升空测试,而是把引擎放在地上,喷气口朝天喷射的大规模引擎测试计画。这个计画中建造了十数部引擎,密集测试了数十次。其中测试机组中的最高出力约为1130MW,比冲约为 850秒,推力从一万磅到二十五万磅的都有。最高记录曾以全功率连续运转28分钟。而且这些只是以60年代的技术作出来的测试用引擎,便有90年代最先进化学火箭两倍以上的比冲量。以这个测试用引擎的能力,约可使标准太空船达到 794m/sec的ΔV。而此种引擎的理论理论比冲值约在750秒到1200秒之间。

  NERVA 研究计画后来在80年代美国政府删减火星登陆计画预算时中止,所有设备皆被弃置,但宝贵的测试资料与经验都留下来了。如果需要的话,这种引擎是能在最短时间发展出来的优秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比,这种核分裂火箭用的是已经成熟,相当实际的技术,只要投下经费,十年内便可建造出可靠的引擎装到太空船上。

  另外一方面,即使NERVA 计画结束,大量理论方面的基础研究并未跟著停止。就核分裂热推进系统而言,理论上具有另一种较为优秀的引擎存在,即气态核心反应炉。这是相对于NERVA 计画中使用的固态(石墨)核心反应炉而言,以铀电浆与氢混和的气态炉心反应炉。其比冲潜力在5000秒~10000秒之间。这类引擎的困难与受控核融合炉有点类似,皆为炉心高温气体的处理相当麻烦。不过由于其并非欲进行核融合,气体温度仅约摄氏数万度,远较融合炉的数千万到上亿度为低,因而难度低了许多。若取理论平均值7000秒比冲来计算,则使用这类系统的标准太空船之ΔV可达到6538m/sec。但这类系统,包含固态炉心的 NERVA计画都有个相似的缺点,即其排气具有放射性,因此不能在地球上使用。在太空中则无妨,因放射性气体会很快扩散开来。核分裂系统的理想喷气值约为11200km/s。

  用核反应堆加热工质的好处是不用带质量非常大的氧化剂,只需要携带质量相对而言非常非常小的液氢。比冲相比化学火箭非常大,总的速度可以达到非常高。1972年完成的NERVA-2引擎的功率达到5000MW,持续推力90吨。

  就在苏联和美国的太空竞赛中,一个大胆的想法应运而生:把核反应堆搬上太空!

  它不依赖于太阳辐射能,在深空探测和长阴影周期(如月面上)情况下可正常运行;

  能量密度高,在高功率下,比功率明显优于太阳能电池系统,系统重量轻,体积小,可大大提高有效载荷能力,特别是在100kWe以上成为唯一的选择;

  功率调节范围大,具有短期功率提升能力,可满足大瞬态功率需求;寿命长,可靠性高,环境适应性强,可在强磁场、高温、高辐射等恶劣环境下工作。在大功率地球轨道卫星、大型无人深空探测器与载人深空探测、以及月球和行星基地等方面有着重要的甚至是不可替代的作用。

  空间核反应堆电源的应用,大大提高了航天器的适应性和工作能力,拓宽了航天器的应用领域,为航天技术的发展提供一个崭新的大舞台,使多种航天技术的应用成为可能。它突破传统航天器能源系统的功率瓶颈,可提供数十千瓦甚至数兆瓦的电功率;它与电推进相结合,可以实现很高的比冲,大大提高航天器的机动能力,节省推进剂消耗,提高航天器寿命和缩短任务飞行时间。

  总之,在这一长串优点的蛊惑下,美国人和苏联人都把空间核反应堆的研制提到了日程上,苏联人甚至成果甚丰。

  50年代末,美苏就开始了空间核动力的竞赛。通常说的空间核动力包括空间核电源和核推进,而空间核电源包括了2种:放射性同位素电源、空间核反应堆电源。

  放射性同位素电源(主要指热电直接转换的放射性同位素电池)功率小,寿命长,工作可靠,已广泛用于对功率需求不大的各种空间任务中。而空间核反应堆电源技术难度高,研制周期长,要考虑辐射防护和核安全等特殊问题。但空间核反应堆电源具有重要优势:易于实现大功率供电,能为航天器提供数kW至数MW的电能;能量密度大,在高功率下,质量比功率优于太阳能电池阵-蓄电池组联合电源系统;重量轻、体积小、比面积小、阻力小、受打击面小,隐蔽性好;功率调节范围大,具有快速提升功率的能力,机动性高;不依赖太阳辐射能,不需要对日定向,可全天时、全天候连续工作;环境适应性好,具有较强的抗空间碎片撞击能力,可在尘埃、高温、辐射等恶劣条件下工作。空间核反应堆电源是军事航天的理想电源,是深空探测不可替代的空间电源。

  美国1955年,美国制定了SNAP(System for Nuclear Auxiliary Power)计划。1961年,发射了装备有放射性同位素电池(SNAP-3B7)的宇宙飞行器。1965年,SNAP-10A空间核反应堆电源在 Snapshot 宇宙飞船上进行了试验。SNAP-10A 是世界上第1个空间核反应堆电源,也是美国发射使用的惟一1个空间核反应堆电源,电功率500W,在空间运行了43天。

  SNAP-3B RTG的剖面图,直径12.1cm,高14cm,重2.1kg,热功率52.5W,电功率2.7We(热电转换效率约5%)。这是美国最早的空间用核电池,仅用作Tranzit4A和4B的辅助能

  SNAP-19 RTG及其改进版,分别应用于先驱者10/11和火星着陆器海盗1/2,翼展50.8cm(先驱者)/58.7cm(海盗),高28.2cm(先驱者)/40.4cm(海盗),重13.6kg(先驱者):

  然而这也就是美国唯一一个投入实验的空间核反应堆电源。其中原因我们无法推测,但美国人的不作为,让苏联风头出尽。

  尽管苏联人很早就成功研发和应用了钋-210放射性同位素电池,但发展重点却是空间核反应堆电源和核热推进。从1961年起,俄罗斯研发了4种型号的空间核反应堆电源系统:ROMASHKA转换器-反应堆、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。前两种为小型快堆,热电偶直接转换;后两种为超热中子堆,热离子直接转换。在这里请允许我简单科普一下。上面说的两种转换指的是能量转换,即把热能直接转换为电能,不像现在的电站那样还要把热变为蒸汽再带动发电,也就是说热电直接转换是指载有热量和电荷的物质不经转轴和活塞而直接转变为电能,这样的效果很明显:效率高。

  现在的热电直接转换包括热电偶转换、热离子转换、磁流体发电、铁电转换和热磁转换五种基本的热电转换方式。磁流体发电我们前面已经讲过,而空间核反应堆电源采用的是头2种方式。热电偶是最早的热电直接转换装置.将两种不同材料的物质(通常是金属丝)连接起来,加热结点.在另两端就能得到电动势。这种教应是1821年发现的.但金属和合金的热电转换效率太低,因此直到发现更好的热电转换材料半导体后热电偶电源才投入实用。

  另一种热电转换装置是热离子直接转换器。它利用的是热离子发射原理,当金属温度很高时。电子将从金属表面被蒸发出来。最简单的热离子转换器由两片靠的很近的金属板构成。当热离子转换器用于外层空间时,热源可以使用核反应堆内的裂变能.考虑到其余热必须以辐射方式排出,而热离子转换器可以在比热偶电源或动力发电设备高的多的温度下运行,因此其需要较小的辐射抉热器即可(热辐射正比于绝对温度的四次方),体积小,因此目前相对可靠的热离子转换器已成为最主要的空间核反应堆电源技术。

  ROMASHKA转换器-反应堆,是最初的动力源,这类反应堆是快中子谱石墨反应堆,使用富集度为90%的高浓铀碳化物燃料在高温下运行。1964年8月研制成功,完成了地面试验,运行了15,000h。它采用石墨固体导热,温差电转换(热电偶),电功率只有0.5~0.8kW ,(与美国的SNAP-10A相当),总重为508kg(略重于SNAP-10A)。其结构简单,体积紧凑,使用可靠。但ROMASHKA只是铺路石,做了个测试,新的BU墨登场后就悄然引退。

  BUK反应堆的苏联代号又叫БЭС-5,苏联有很多部门参与了研制,其中包括“红星”,“飞行”国家研究中心,“伊斯托克”科学生产联合体和著名的库尔恰托夫研究所等,主要是为了给当时正在研制的海洋监视卫星 УС-А (17Ф16)做配套系统。为什么海洋监视卫星要用核动力作为电源?这是因为60年代雷达分辨能力有限,所以只能采用低轨道(240-270公里)技术,但正因为如此,需要大量大量动力,而在当时技术条件下采用太阳能电池(风帆)是不可能的,所以苏联决定将装备空间核动力电源。

  BUK于1966年研制成功,其电功率达2.5kW,重量为0.9吨。自1967年12月发射宇宙198号至1988年8月发射宇宙1932号,用于大功率雷达监视潜艇的水下活动(RORSAT)。共发射35次, 成功33次, 卫星最长工作时间1年,BUK和它服务的海洋监视卫星以及他的传奇都成为冷战时代的暴力杰作。

  该系统采用了小型快堆,堆芯含有37根燃料棒。燃料棒的材料是高浓铀(铀-235丰度为90%)与钼的合金。堆芯装载铀-235约为30kg。沿纵向移动的控制棒装在铍的侧反射层内。在核反应堆内,装有双回路的液态金属冷却系统,采用低共熔钠-钾合金作为冷却剂。一回路冷却剂在核反应堆中被加热到973K,并传输到外罩为圆桶型的热电发生器。热电发生器装在辐射屏蔽层后的辐射散热器的下面。热电发生器的内腔是密封的并充有惰性气体。

  系统的二回路冷却剂将无用的热量释放到辐射散热器。在辐射散热器入口处的最高温度达到623K。热电发生器有两个独立的部分,其中主要部分是给飞船上的有效载荷供电,辅助部分是为传导型的电磁泵供电。电磁泵通过两条回路来输送冷却剂。热电发生器采用两级热电池,第一级使用锗-硅合金。反应堆的热功率限于100kW。核电系统的最高电功率约3kW。在BUK型系统的运行过程中,其运行寿命达4400小时。

  BUK型核电源系统的核安全是通过基于不同运行原理的两套系统来保证的。其主要系统建造在飞船里,具有将核电装置抛入长期放置轨道的能力。这个轨道是一个高度在850km以上的近于圆周的轨道。系统在该轨道上的滞留时间足以使反应堆的裂变产物衰变到天然放射性水平。第2个系统是一个备用系统,其功能是在主要系统失效的情况下,使得含裂变产物及带有诱发活性物质的燃料元件,在地球大气上层实现空气动力学分散。这个系统可以在运行轨道上或者在含有反应堆的物体重返地球时,把燃料组件从反应堆里弹射出来。在重返地球过程中所发生的空气动力学加热、热破坏、熔融、蒸发、氧化等过程,可以保证把燃料分散成尺寸很小的颗粒,使得这些颗粒在地球表面的沉降,不会增加对公众和环境的辐射而超出规定的允许水平。在运行过程中,备用安全系统包含在BUK型核反应堆电源系统中。

  这就是BUK服务的海洋侦察卫星УС-А,当时全部以“宇宙-XXX”作为代号,注意看前部为仪器和天线,后半部中间是反应堆电源系统

  1978年 1月 24日凌晨4点多钟,突然一个巨大的熊熊燃烧的火球在加拿大的黄刀市上空降下,转眼之间,它消失在冰雪覆盖的苍茫大地上。这个“怪物”就是苏联 1977年9月18日发射的宇宙-954号。宇宙-954号重达5吨,载有核燃料45公斤。为了消除放射性可能造成的污染,加拿大国防部和原子能控制局当天下午就派出军队和科研人员前去调查。根据计算机运算结果,“宇宙-954号”卫星重新进入大气层时曾经飞越黄刀市上空。穿过大奴湖,朝着东北方向的贝克湖坠落。这是一条长800公里,宽50公里的狭长冰川雪原,加拿大科学家要在此进行搜索,是十分艰苦的。搜索工作分两个阶段进行。第一阶段从1月24日到4月中旬,加拿大空军派出了3架装有放射物质测量仪的运输机进行分段空中搜索。1月30日,搜索队员在飞机的指引下,冒着严寒在大奴湖东端找到了这个卫星的残骸,它以每小时200个伦琴的强度污染着周围环境。对此,加拿大原子能控制局现有的原子防护铅桶都不能保证有效的保护,他们赶制了一个特殊的容器。2月4日上午,在国防部长丹森的监督下,用直升机把一个500公斤重的特制铅桶运到大奴湖,人们使用长柄钳子小心翼翼地把那个可怕的“怪物”装入铅桶中。

  搜索工作的第二阶段从7月中旬至10月中旬结束。搜索队在西北区的冻土带、沼泽地和灌木丛以及一些中小城镇和居民区,搜索那种细小的、肉眼看不见的放射性微粒(核反应堆的裂变物质)。10月18日,加拿大原子能控制局宣布,找到了卫星残骸75公斤,大小不等的放射性碎片约3000个。为了找寻这颗卫星的残骸,加拿大花费了1480万加元。根据联合国1972年通过的《空间实体造成损失的国际责任公约》规定,发射国对受害地区应负赔偿的绝对责任。所以,苏联才向加拿大赔偿部分损失。1980年11月21日,加拿大外长马克·麦圭根宣布:苏联将向加拿大赔偿300万加元,以补偿苏联核动力卫星在加拿大坠毁所造成的损失。不过这还不是最后一次。1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。

  苏联除了上述2种热电偶转换反应堆外,也研制了热离子反应堆发电系统,这就是著名的TOPAZ核反应堆电源。TOPAZ,俄文Топаз意为“黄玉”,TOPAZ核反应堆电源于1970年研制成功。它采用热中子堆,钠钾液态金属强迫循环传热,热离子能量转换。前苏联于1987年分别发射了载有“TOPAZ-1”反应堆电源的宇宙-1818和宇宙-1867航天器。1987年2月2日前苏联发射了第1颗“托帕斯-1”空间核反应堆电源的试验卫星等离子体-A(宇宙-1818)。它的在轨有效寿命要求为45天,而实际在轨工作时间(关闭核反应堆的时间是1987年6月24日)为143天。1987年7月10日前苏联发射了第2颗载有“托帕斯-1”空间核反应堆电源的试验卫星等离子体-A(宇宙-1867),它的在轨工作时间接近1年(于1988年6月17日核反应堆停止工作)。其轨道高度为800km,它的电功率为7kW(自身消耗2kW),热电转换效率为5.8%,总质量为1t。这两次的空间飞行试验全面考核了空间热离子核反应堆电源,证明了其可靠性,同时验证了其可与电火箭共同工作,电火箭比冲达到1600s(工质为氙)。

  然而苏联人并未满足,因为TOPAZ-1采用的是多节热离子转换器,而效率上使用单节比多节更具优势,因此苏联科学家们又研制了使用单节热离子转换器的TOPAZ-2反应堆。单节热离子燃料元件发射极放置核燃料芯块的空腔可以自由进出。因此在研发阶段,利用适当功率水平的专用电加热器替代燃料芯块,插入发射极的空腔,可以进行热离子燃料元件、反应堆和空间核电源系统的全尺寸的热试验。当制造核电源系统时,利用类似的技术可以进行全尺寸的电功率验证试验,并获得该系统的输出特性。在空间核电源系统地面研发和运行阶段,单节热离子燃料元件的这种特点,在保证核电源系统的核与辐射安全方面也是有优势的,因为它可以选择最方便的时间往反应堆中装载核燃料,并且在装料之前完成大部份所需要进行的检测工作。

  TOPAZ-2型空间核反应堆电源通过了在宇宙飞船飞行试验之前所要求的全周期的地面试验,包括综合电热测试、运输和冲击测试、低温室液氮冷却测试,以及最终的核功率测试。结果证明,该系统的性能参数与设计要求是一致的,而1.5年的寿命具有增长到3年的可能性。

  【单节热离子燃料元件是TOPAZ-2型空间核反应堆电源的最核心、最关键部件,这是该元件的结构设计图】

  就在TOPAZ-2已经取得了巨大成就,领先于美欧的时候,苏联解体的悲剧发生了!

  不过技术的领先仍然是赖以生存的法宝。是金子总会发光,现在需要的只是机会。但机会会来吗?

  原子的裂变释放的是巨大的能量,而国家的裂变带来的则是灾难性的后果,照时下流行的话说:杯具了!

  而杯具的根源是多方面的,这里面有很复杂和很深刻的原因,如果细究起来,只怕又得跟楼猪一样重新开帖讨论了。作为暴力美学爱好者的我们,只能撇开不表。1991年以后,垂涎于苏联空间核反应堆技术的美国终于有了机会,他们欣喜若狂地以1300万美元的价格购买了俄罗斯的6座TOPAZ-2反应堆,还成立了一家合资企业,以合作方式将TOPAZ-2的技术搞到了手。此时的俄罗斯已经完全没有了昔日的豪情,为了生存,不得不卖身。。。

  虽然俄罗斯想保住最后的一点贞洁,他们没有卖关键的单节热离子燃料元件,可是美国人也不是吃素的,你连身都卖了,还怕没人来打洞?在1991~1994年期间,美国引进了6座不含核燃料的TOPAZ-2型空间核反应堆电源试验样机。在试验的基础上,设计了装备有TOPAZ-2型空间核反应堆电源和不同形式电推进器的NEPSTP实验宇宙飞船,以及具有40kW功率水平的SPACE-R热离子空间核反应堆电源系统。

  不过,值得欣慰的是尽管TOPAZ-2被卖给了美国,苏联时代仍然为俄罗斯遗留下了一笔不错的航天遗产,核火箭发动机就是其中之一。

  今日的俄罗斯化学自动化设计局仍然拥有这一独具特色的技术。所谓核热推进系统(即核火箭发动机),就是利用反应堆产生的裂变热能把工作介质(推进剂)加热到很高的温度,然后将高温高压的工作介质从喷管高速喷出,从而产生巨大的推动力。核火箭发动机由推进剂贮箱、涡轮泵系统、辐射屏蔽、核反应堆热源和喷管系统5个部分组成。

  核火箭发动机的工作流程是用液氢泵将液氢贮箱中的液氢通过导管⑧抽出,并通过导管⑨打入冷却夹套③,受热后变成气态的氢经导管④进入氢涡轮⑤。在涡轮里气态氢进行局部膨胀,压力下降之后,进入核反应堆①。氢吸收了反应堆的热量其温度大大升高,最后进入喷管进行膨胀,将热能转变成动能从喷管高速喷出。而氢涡轮所发出的功率是液氢泵的能源。在整个核火箭发动机系统中,核反应堆是最主要的部分。核热推进系统是美国和苏联曾经下大力研发的空间核动力系统。美国的NERVA型核火箭发动机和俄罗斯的RD-0410型核火箭发动机都做出了试验样机,进行了除飞行试验之外的大量试验,离研发成功近乎一步之遥,为今后的核推进技术的发展提供了宝贵的经验借鉴。

  而已经走出杯具的俄罗斯近几年来研发的新一代核火箭发动机设计,这一设计方案已成为俄罗斯研发双模式(电源/推进)空间核动力系统的设计基础。

  无论如何,冷战的阴影已经过去,新世纪的曙光到来,国际合作的势头无法阻挡。以俄罗斯新一代核火箭发动机为基础的双模式核火箭发动机在未来国际合作的星空探索中又一次得到重视。

  在国际科学技术中心(MNTTS)支持的№2120(2002~2004)项目中,俄罗斯专家研发了以新一代核火箭发动机为基础的双模式核火箭发动机系统设计方案。该设计不仅能保证产生68kN的较大推力,还能供给25kW的有效电功率。把4个这样的系统组合在一起,可以完全解决载人火星考察宇宙飞船的推进动力和电能供应问题。在这个双模式核火箭发动机系统中,核反应堆堆芯的裂变热能加热推进工质氢,并借助喷管组将热能转变为推进动力。同时,通过其他工质(氙混合气体)带出堆芯的热量,并在布雷顿循环中利用动态转换方式发出电能。

  经过理论计算和设计分析验证证明,推力为68kN、比冲不低于900s、推力-质量比为1.2kgs/kg的双模式核火箭发动机是可以研制成的。根据对质量尺寸性能的评估,作为宇宙飞船运输-电源舱的4个双模式核火箭发动机,可以保证携带90t左右的有效载荷一次登陆火星。而双模式核火箭发动机本身则通过载重能力为50t的运载工具送至安装轨道。

  这种电源/推进系统设计从实施方面看是最成熟的。缺点是推力较小,完成空间任务需要较长的时间,但是人类探索星空的脚步不会停歇。

  美苏的核竞赛呈现出多层次多领域的现象,那么多年以前美苏的核竞赛就已经发展到这个地步了啊,太厉害了!{: ...

  所以无论是俄罗斯还是乌克兰,都是瘦死骆驼大过马的,俄罗斯不愿意卖关键技术,中国就跟乌克兰买,什么辽宁号航母、雪龙号破冰船、J-15舰载机、欧洲野牛气垫船……,都是从乌克兰买的:P

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