核动力引擎

RD-0410俄罗斯核动力火箭发动机在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。NERVA核能火箭发动机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。内华达州的NERVANERVA（NuclearEngineforRocketVehicleApplication，火箭飞行器用核引擎）是美国原子能委员会(AtomicEnergyCommission,简称AEC)和NASA旗下的项目，由航天核推进局(SpaceNuclearPropulsionOffice，简称SNPO)领导。整个项目于1972年终止，SNPO也于同年解散。NERVA核动力火箭引擎示意图NERVA计划论证了核热力火箭可以成为太空探索的一项可现实可靠的工具。在1968年底，SNPO测试完成最新型号的NERVA引擎——NRX/XE后，认为NERVA可以用于载人火星任务。尽管NERVA引擎在测试后已经被认可可以胜任飞行任务，而且引擎也正准备整合入宇航器中，但在最终飞往火星的梦想实现前，NERVA随同其他耗资巨大的太空任务被尼克松政府取消。NERVA曾被AEC，SNPO和NASA寄予厚望，而实际上，整个项目的成就也达到甚至超过它原先的目标。NERVA最主要的任务是“为太空任务提供核动力推进系统的科技基础”。[1]实际上，几乎所有计划使用核动力火箭的太空任务都是使用由NERVANRX或是Pewee发展而来的设计。洛斯阿拉莫斯实验室于1952年开始研发核动力火箭。1955年，劳伦斯-利弗莫国家实验室的副主任找到了一种方法得以大幅度减轻反应堆重量使得项目提速，之后该项目开始被称之为“流浪狗计划”。到1961年，由于“流浪狗计划”的飞速进度，NASA的马歇尔太空飞行中心开始考虑在他们的太空任务中使用核动力火箭。马歇尔太空飞行中心计划最早在1964年使用来自于洛斯阿拉莫斯实验室研发的核动力火箭将核动力空间试验机（RIFT：Reactor-In-Flight-Test）发射升空。由于来自于此类太空任务的计划与需求，一个被称为“航天核推进局”（SpaceNuclearPropulsionOffice）的机构成立了。SNPO的建立使得AEC和NASA得以协同工作。由H.B.HarryFinger担任SNPO的第一届主任。Finger上任后做出了推迟发射RIFT的决定，并给核动力火箭引擎制定了十分严格精确的目标，在此之后RIFT才会被允许发射。Finger紧接着挑选了Aerojet公司和Westinghouse公司参与研发NERVA引擎。与此同时，NERVA也会得到来自洛斯阿拉莫斯实验室的科技支持。经过考虑，SNPO选择了比冲825秒，推力75，000磅的KIWI-B4核动力火箭设计（Kiwi——鹬鸵，一种产自新西兰的无翼鸟。）作为52英尺（从推力结构到喷嘴高22英尺）NERVANRX（核动力火箭实验：NuclearRocketExperimental）的蓝本。流浪狗计划的第二阶段被称为Phoebus（太阳神），而第三阶段则是熟知的Pewee（京燕），有着更大的功率（4000MW）、更高的功率密度和更长效的燃料。但这些工程都没有成为最终的NERVA。最终可工作的NERVA（被称为NERVANRX）是基于KIWI的设计。而当Pewee引擎开始测试时，阿波罗计划遭到了尼克松政府大幅度的预算裁减。于是，将人类送上月球和火星计划被无限期推迟。NERVA的研发、设计和建造几乎全部是在洛斯阿拉莫斯实验室完成的。测试则是在位于内华达测试基地由SNPO特别建造的一座大型设施内进行的。尽管洛斯阿拉莫斯在60年代测试了一系列的KIWI和Phoebus引擎，但直到1966年2月，NASA的NERVANPX/EST(EngineSystemTest:引擎系统测试)并没有进行。整个测试的目标是：论证在无外部能源的情况下启动和重启引擎的可行性评估启动、关机、冷却以及重启情况下控制系统的特性（稳定和控制模式）。研究系统在过载运行下的稳定性。研究引擎部件，尤其是反应堆在多次稳定和瞬间重启下的耐用性。所有的测试都成功完成了，而且第一台NERVANRX连续运行了将近2个小时，包括28分钟的全推力运行。这几乎是之前的KIWI反应堆运行时间的两倍。第二台NERVA引擎——NERVAXE被设计用来尽可能的成为一个完整的飞行系统，甚至包括使用飞行测试涡轮泵。为了节省时间和金钱，一些不会影响系统性能的组件会被有选择的拆卸下来。与此同时，一面辐射防护盾会被添加，用来保护外部的组件。引擎将会经受从低压环境到真空室的点火和部分模拟点火实验。NERVANRX/EST的测试项目包括以下内容：评估引擎系统运行稳定性。表面在发展飞行用引擎中没有任何技术障碍。评估完整的引擎自动启动系统。目标也包括测试位于JackassFlats用于飞行引擎质检和许可的新设施。引擎总共运行了115分钟，包括28次启动。NASA和SNPO认为“测试表明核动力火箭适合太空飞行任务，而且比冲量是传统化学火箭的两倍。”[3]引擎的表现证明了它可以胜任NASA正在计划中的火星任务。而测试设施也表面了其可以用于火箭引擎的飞行质检和许可。流浪狗/NERVA项目累计了17小时的运行时间包括6小时2000˚K以上的运行。尽管引擎、涡轮和液氢储存罐没有整合在一起，但NASA依旧决定制造可以工作的NERVA航天器。但这充满危机的火星任务因预算问题在国会造成了一些小麻烦。支持太空计划的新墨西哥州议员ClintonP.Anderson得了重病，而另一位有利的支持者LyndonB.Johnson已经开始动摇而且决定不再担任第二任期的职务。NASA的1969年预算遭到了国会的削减，之后的尼克松政府不仅大幅削减了1970年的预算，也关闭了土星火箭的生产线并取消了阿波罗17号后的阿波罗任务。在失去用于将NERVA发射入轨的土星S-N火箭后，洛斯阿拉莫斯用Pewee和核反应堆继续将流浪狗计划进行了几年，最终于1972年彻底终止。测试中最严重的一次人员伤害事故是一次液氢爆炸。造成两位工作人员的脚和鼓膜受伤。而在1959年的一次测试中，液氢被意外地使用殆尽，造成核心过热后爆炸。为了防止辐射等意外，工作人员在等待了三周后才外出收集四散在内华达沙漠里的碎片。外行星探测中，由于空间探测器远离太阳，难以利用太阳电池发电，必须采用核电源。第一个核电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是核电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。美国在，“先驱者”10号、11号探测器，“旅行者”1号、2号探测器，木星和土星探测器中，都使用了同位素温差发电器作为电源。苏联在1967～1982年共发射了24颗核动力卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆，功率为5～10千瓦。它们在200多公里的低轨道上工作,完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离,并小型火箭推到大约1000公里的轨道,可运行600年。1978年1月24日,苏联“宇宙”954号核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落，未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内，造成严重污染。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。1982年8月30日，苏联发射宇宙1402号核动力海洋监视卫星，与同年10月2日发射的宇宙1412号，组成在同一轨道面上飞行成对。美国1955年，美国制定了SNAP（SystemforNuclearAuxiliaryPower）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。到本世纪初，美国已在25次空间任务（例如“先驱号”、“伽利略”号、“卡西尼”号等）中使用了放射性同位素电源系统，最大的电功率达300W。到20世纪末，美国执行过的、与研发空间核动力有关的重要计划还有：(1)核火箭发动机研究计划（ROVER/NERVA）（1955～1973年），建造了20座全尺寸的、用于核火箭试验的固相核反应堆（包括颗粒床反应堆），对“NERVA”核火箭进行了除飞行试验之外的多种试验。颗粒床反应堆成为上世纪80年代初期“森林之风”（Timberwind）项目、也即后来的“空间核热推进”（SNTP）项目的基础。(2)战略防御计划（SDI）（上世纪80年代中期至90年代初期），其中包括“SP-100”计划，即研制电功率100kW、寿命7～10年、重量3t的热电直接转换的空间核反应堆电源，应用方向是空间武器和核电推进。1993年，SP-100系统已达到详细设计和部件验证阶段，所有与反应堆有关的可行性问题都成功地得到解决；燃料元件的关键测试已经完成，制造工艺和性能证明是合格的；材料考验回路运行了数千小时而没有损坏，验证了传热系统材料和设计的适用性；电磁泵的磁性试验已经完成，设计已通过最终审定；控制系统软件已经被确认；热电转换材料的研发已达到设计水平。SP-100的研究成果为“空间探索计划”（SEI）的核电推进方案提供了强有力的技术支撑。从2003年起，美国开始执行所谓“普罗米修斯”（Prometheus）计划。在技术层面上该计划包括研发新一代放射性同位素电源系统、以裂变核反应堆为基础的空间电源系统和先进的电推器、“木星冰复卫星轨道器”（JIMO-JupterIcyMoonsObiter）3项内容。目标任务是研究带有核电推进系统的星际宇宙飞船以探测木星最大的天然卫星。美国对3种空间核反应堆电源系统进行了评价：液态金属冷却的核反应堆、热管冷却的反应堆,以及气体直接冷却的核反应堆。这3个系统都是以高浓铀为燃料的快堆，采取动态能量转换方式。可以说，“普罗米修斯”计划是“SNAP”计划和“ROVER/NERVA”计划的综合与继续。俄罗斯俄罗斯虽然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。从1967年开始，俄罗斯先后把31个BUK型空间核反应堆电源成功应用在宇宙飞船的海上雷达观测上。1987年，两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源在Cosmos-1818和Cosmos-1867宇宙飞船上成功地进行了试验。俄罗斯的TOPAZ型热离子空间核反应堆电源被认为是世界上迄今为止最先进的空间核电源。俄罗斯研发核推进的工作始于1950年。在1965年，决定建造冲力36kN、比冲大于900s的核火箭发动机RD-0410（11B91）。为了提供与核热推进系统实际运行工况一致的试验条件，专门建立了“IGR”高通量石墨脉冲堆、“IVG-I”实验反应堆和“IRGIT”实验性原型堆。在“IGR”反应堆上完成了核热推进系统燃料元件的动态试验，在“IVG-1”反应堆上完成了燃料组件的寿命考验，把“IRGIT”实验性原型堆运行到90MW的功率水平。俄罗斯在核热推进方面取得的重大成就在于，成功研制了核火箭发动机的燃料元件和燃料组件，建造出了RD-0410型核火箭发动机试验样机，在著名《贝加尔》试验台架上完成了全尺寸核火箭发动机反应堆的