有一個疑問,潛艇都能用核動力了為什麼航天器不能用核動力?

鹿麵坊小相


首先航天器也能用核動力,目前幾個國家研究情況如下:

  • 美國

美國航天局局長吉姆·布里登斯廷日前表示,美國將研發下一代核熱推進技術,利用核裂變反應產生的熱能推進航天器進行深空探索。

布里登斯廷在2019年8月20日舉辦的美國國家航天委員會第六次會議上說,核熱推進是改變規則的創新,美航天局正在努力實現這種技術。核熱推進航天器利用核反應堆來加熱液態氫,將其變成電離的氫等離子體,並通過噴嘴來產生推力。

美國國家航天委員會委員、BWX技術公司首席執行官雷克斯·格夫登說,核動力發動機有望使航天器用3到4個月時間抵達火星,比最快的傳統化學動力航天器快大約一倍。BWX技術公司是美國政府主要核部件和燃料供應商。

宇航員深空旅行時間越久,受到的輻射量越多。布里登斯廷說,使用核動力航天器,可以通過減少輻射來保護宇航員健康。

據美國能源部下屬洛斯阿拉莫斯國家實驗室介紹,美國曾於20世紀50年代到70年代間研製核動力發動機,以增強火箭運載能力,為登陸火星做準備。但在美國放棄登陸火星計劃後,該項目也於1972年叫停。(核動力發動機想象圖)

2019年3月底,美國副總統彭斯提出5年內讓美國宇航員重返月球,這一時間表比美航天局的原計劃提前了4年。布里登斯廷隨後表示,將重返月球計劃提前到2024年目的是為了在2033年實現登陸火星。核熱推進等新型空間推進技術再次受到關注。2019年5月22日,美國國會批准美航天局1.25億美元預算用於開發核熱推進技術。

  • 中國

 2017年,在中國航天科技集團相關媒體上刊登了中國未來新一代火箭計劃,其中的長八火箭和長九火箭登月大家都已有初步瞭解,而其中更遠景計劃中2040年的核動力空間穿梭機則引起了大家的興趣,究竟何為穿梭機,核動力空間穿梭機和普通穿梭機有何區別呢?

 

  中國2040年遠景規劃中的核動力空間穿梭機,採用核動力,可能的工作方式為最新的電磁驅動引擎,即通過核動力的熱離子堆產生電能,然後通過電磁驅動引擎來推進穿梭機前進,據悉,電磁驅動引擎的速度已經超過目前已知的所有航天器的速度,包括之前號稱最快的太陽帆動力,電磁驅動將意味著衛星等太空載具將不再需要藉助助推化學燃料,其能量將來自於反射微波所帶來的巨大能量。另有報道稱,作為一種革命性的太空引擎,這種新引擎將在未來的星際旅行中派上大用場,也就是隻需10周時間即可到達火星。到達月球的時間則只需4個小時。

  • 俄羅斯

俄羅斯聯邦航天署與俄羅斯原子能公司計劃研發核動力航天器,並在2025年以前進行飛行試驗。

  俄羅斯計劃在2025年以前研發出擁有核能發動機的航天器模型,這一項目被列入了2016-2025年期間的俄聯邦太空計劃草案。核發動機的研製被分解為5大設計試驗及科研模塊,並分別列出了不同的預算。

  目前普遍認為,在進行大規模的星際考察過程中,核電系統是最具前景的太空動力來源。國際空間站每日所需電量為110度,靠長70米、寬17米的太陽能電池板提供。在進行載人星際航行時,如前往火星,需要的能量要多得多。單靠太陽能電池是不可能的。要確保太空考察所需的巨大能量,只能依賴核電系統。目前,俄羅斯原子能公司的下屬企業正在從事相關研發。

  此前便有報道稱,2017年以前,俄羅斯原子能公司下屬的能源技術科研設計所將為這一發動機開發出核反應堆,發動機本身的研發由克爾德什中心承擔,運輸組件則由俄羅斯能源科技生產公司負責生產。

  2010年,俄總統下轄的經濟現代化和技術發展委員會通過了為航天器研發核發動機的計劃,當時從預算中劃撥了170億盧布。2012年,時任聯邦航天署負責人的波波夫金表示,他對將核發動機用於航天業持謹慎態度,認為這是相對遙遠的事情。

  但俄原子能公司對外聯絡部門負責人伊萬諾夫介紹說:“所有相關工作仍在按計劃進行。如今已完成了兩大階段,即推出了釋熱元件的獨特結構,能在高溫、高斜度變化、高輻射情況下正常工作。未來太空反應堆的堆體也完成了技術測試,主要是加壓,並對主金屬、環形焊接點、圓錐導管等進行了3D測量。”

(俄原子能公司)

 2010年由於登上月球和火星的話題再次引起熱議,俄羅斯開始研製兆瓦級核動力裝置。“俄羅斯原子能”企業宣佈計劃在2018年之前研製出第一套太空基兆瓦級裝置,並計劃在2025年將裝有該裝置的試驗航天器送入軌道。 據悉,“兵工廠”核動力裝置試驗儀器可能在2020年進入軌道。米利科夫並沒有證實這一信息。 航天政策學院的導師莫伊謝耶夫介紹道,蘇聯時期,批量生產核動力裝置衛星是根據具體任務要求完成的:雷達裝置需要大量動力,核動力裝置可以提供動力。核動力裝置無線電電子戰設備不違反任何法律,但是需要注意,只能在戰時使用,在那種情況下需要通過政治決議——我們是否需要在宇宙中啟動該設備。還需再次考慮的是,我們已經具備了核動力裝置衛星的使用經驗,然而並非一切順利,他們有時會落到地面上。

(俄羅斯兆瓦級核能動力裝置原理圖)

蘇聯時期,帶有核動力裝置的衛星並不是經常發生事故。最有名的事件發生於1978年,當時裝有核動力裝置的“宇宙—954”號航天器進入大氣層,然後就損毀,近千個輻射性殘骸散落在加拿大西北地區10萬平方公里的範圍內。當時蘇聯給加拿大1千萬美元作為補償。俄羅斯航天部隊信息保障組負責人左洛圖希也很難解釋這一事件。 在積極研製太空基核動力裝置的背景下,2016年6月舉行了第59屆聯合國委員會會議,會議主題為和平使用宇宙空間,美國、英國、德國、法國、日本、意大利、西班牙、澳大利亞、巴西、加拿大和其他代表團(共25個國家)提議採取“確保太空活動的長期穩定”的指導原則,建議重新修改在宇宙空間使用核能源的原則。

(裝有核動力裝置的“宇宙—954”)

總結

深空探索中使用核動力並不是新鮮的事物,旅行者系列探測器任務中就使用了核動力,目前那兩艘旅行者探測器已經飛出日光層,而攜帶的百瓦級放射性同位素電源仍然處於工作之中,其功率可超過150W,預計可以使用到2020年左右。除了比較著名的旅行者系列探測器外,放射性同位素電源的應用較早,可追溯到上個世紀60年代左右,美國在1961年發射的子午儀-4A衛星就使用了功率為2.7瓦的放射性同位素電源,在阿波羅12號任務中也使用了放射性同位素電源,工作年限都達到5年以上,先驅者10號使用的放射性同位素電源工作了30年以上,這是說明放射性同位素電源在行星際空間探索中已經得到了非常廣泛的應用。

(阿波羅12號)

對於超出地月系統的探測器而言,合理使用空間核電源就顯然十分重要,距離地球越遠,太陽輻射光強就越低,火星軌道上使用太陽能電池板的效率就比近地軌道上低了很多,甚至是打了對摺,進一步超出火星軌道,進入木星、土星軌道上,太陽能電池板的效率更低,美國宇航局的“伽利略”木星探測器、“卡西尼”土星及其衛星系統探測器還有飛得更遠的“新地平線”冥王星探測器都使用了放射性同位素電源,除了“伽利略”木星探測器在2003年墜入木星大氣外,目前這些探測器上搭載的放射性同位素電源都處於工作之中。

(“伽利略”木星探測器)

進入21世紀第一個10年之後,人類對深空探索的範圍進一步擴大,自阿波羅登月計劃以來,人類已經向月球、火星、木星、土星、甚至是冥王星發射了探測器,傳統的化學能推進方法已經完全不適應深空探索的發展,其中也包括在行星際探索中大規模使用的放射性同位素電源,未來深空探索的方向將向太陽系中軌道推進,其中載人航天任務將延伸至火星軌道,無人行星際探索任務將進一步觸及冥王星軌道,甚至超過冥王星軌道探索冥外天體,因此發展新型空間推進技術是深空任務延伸的基礎,其中大功率的放射性同位素電源和空間核反應堆推進技術是發展前景較好的航天能源形式。

(“新地平線”冥王星探測器)

相比較於核反應堆而言,放射性同位素熱電發生器功率要低,而且兩者的原理也不一樣,放射性同位素熱電發生器為衰變釋放能量,而核反應堆為裂變釋放能量。核能作為航天動力形式是未來深空探索的必備條件之一,在幾種概念型的動力系統中,相比較微波推進、光壓推進甚至是反物質推進技術而言,核動力推進的期望值較高。

在大規模使用核電源和核反應堆推進時,更加需要主要輻射屏蔽措施,不僅要防止航天器核動力裝置上的輻射對宇航員造成傷害,還要有效降低來自宇宙的空間電離輻射,隨著人類向深空方向邁進,化學能火箭將成為歷史,在研製核電源和核電推進系統時,也可以發展其他新型空間動力,比如光壓驅動推進等,向多元化的空間動力體系邁進。


鐵桿軍迷


核動力航天器早就有了,但是太不環保而且對地面威脅太大,前蘇聯一個核衛星壽命到頭要墜落地球,全世界如臨大敵,唯恐蘇聯人計算失誤導致核動力衛星墜落於本國領土之上,這東西就是一個核導彈。即使沒有墜落,成為太空垃圾,也是有核輻射的太空垃圾,危害更是巨大而且持續時間很長,說不準哪天就輻射了空間站,載人飛船,航天飛機之類,所以儘量不要搞這類航天器,危害和遺患太大了。


軍都弩


在我們大家比較熟知的能源動力中,核能源動力裝置憑藉其輸出功率密度大、體積小等優勢成為了現有已知的所有能源中的最清潔能源。所以自核動力驅動裝置被髮明出來以後,核動力在很多領域都開始嶄露頭角,並且逐漸奠定了自身清潔能源的頭銜。比如我們知道的核電站和核動力航母、核潛艇都是通過核動力裝置驅動的。並且在曾經那個核動力瘋狂的年代,還曾出現過核動力轟炸機、核動力火車、核動力汽車等多種新型交通工具,可以說核動力驅動的交通工具廣泛遍佈與海陸空等多種工作環境之中,那麼為什麼迄今為止還沒有核動力驅動的火箭或者核動力飛船出現呢?

首先在正式回答問題之前,先說明一點,早在上世紀70年代中期,就已經有使用核裂變提供電能驅動的航天器出現了,最早搭載核電池的就是我們比較熟知的先驅者9/10號、旅行者1/2號深空探測器,同期蘇聯也曾發射過多達24顆搭載核電池的衛星入軌。所以從廣義定論來說並不能說核動力還沒有被應用於航天器,因為上述這些搭載核電池的衛星同樣屬於航天器範疇之內。

其次我們應該明白核潛艇的工作原理是什麼?一般來說,潛艇上搭載的核反應堆通過裂變的方式產生的熱量加熱第一回路冷卻水後,並沒有直接相連的一二回路冷卻水在熱交換器中傳遞熱量,所以沒有直接和核燃料接觸的第二回路冷卻水在進行熱交換後變成了溫度差不多在400C左右的高溫高壓蒸汽,然後這些蒸汽進入蒸汽輪機做功,將熱能轉換為機械能,早期有些核潛艇的推進主軸都是直接接在蒸汽輪機背後的變速箱上的,但是進入90年代後,為了降低潛艇自身的噪音,很多核潛艇都在蒸汽輪機背後裝一臺發電機,然後再通過發電機發出的電能推動位於艇艉的推進電機工作推動潛艇航行。所以從上面核潛艇的推進原理來說,只要還是涉及到核裂變釋放熱量----將一回路冷卻水加熱----一二回路冷卻水交換------第二回路冷卻水變成高溫高壓蒸汽-----蒸汽推動汽輪機旋轉將熱能轉換為機械能----帶動發電機產生電能-----電能驅動推進電機推動潛艇航行。

所以這麼一套比較複雜但是因為涉及到核洩漏的能量轉換過程,無論是從體積還是重量上來說都是比較龐大的。比如美蘇曾經發展核動力轟炸機的時候,雖然雙方都成功建造出了原型機並進行了數十次試飛,但是後面都因為核防護重量過大等原因而被迫下馬。

其次從運載火箭這一航天器來說,其都是通過燃燒不同的燃料產生高溫高壓燃氣繼而推動火箭上升的。雖然運載火箭使用的燃料包括劇毒的四氧化二氮、偏二甲井、比衝最高且最為清潔但是最為昂貴的液氫液氧、經濟合適的液氧煤油、液氧甲烷都是已知的運載火箭燃料,但是上述燃料的燃燒過程都還只是化學能到熱能的轉換。

與核反應堆只能產生熱能或者電能、機械能並不相同,這也就註定了像核潛艇使用的核反應輸出的軸機械能並不能直接被用於運載火箭。當然隨著技術的發展,現在已經出現了一種電能推進的火箭引擎,但是限於技術的束縛,目前能夠製造出來的電推進火箭引擎都只能推動在軌運行的小型衛星運轉,並不具備對起飛重量至少幾百噸的運載火箭使用範疇。

所以雖然想在我們看到有很多使用核動力的潛艇、航母出現,但是不管是潛艇還是航母,對於動力系統只需要的是能夠推動螺旋槳旋轉的軸輸出,而產生高溫高壓燃氣的液體和固體火箭推進器並不適合核動力推進裝置。當然從未來發展趨勢來說,如果在未來核動力的體積和重量以及動力輸出密度、安全性都有很大提升的時候,很可能會有使用電能作為燃料推進的運載火箭出現。


魑魅涅槃


核動力航空器屬於未來,人類將來要頻繁的穿梭於星際之間核動力的航空器是最有效的、最可靠的工具。傳統的化學燃料航空器使用的液氧和液氫為燃料雖然推力大,但持續時間不長,在星際穿梭的時候需要藉助行星的引力來加速才能飛向更遠的地方,而核動力有強悍推力的同時還有幾乎用之不竭的持續力,這樣就減少了航線上限制,大大減少飛行到目標地的時間。

而核潛艇的核動力裝置就是一座小型的核電站,只是將核能轉化為電能即可使潛艇獲得動力。它的核反應烈度遠低於航天器武器級的核聚變。所以目前潛艇可以用,而航空器還要等技術突破後才能真正大量使用。


地球村奇妙夜


不能用核爆的力量的推進航天器前進嘛?先用常規的能源把裝有核爆推進發動機的航天器推離環地球軌道,保證航天器的機身與最後面的核爆推進器中間有一個巨大的減震器,然後點燃核爆推進器,定時的在推進器後點爆核彈,不考慮減速的話,把能量耗盡估計能加速到光速的40-50%。就目前的技術而言,我這個想法應該是最簡單實惠可行的😁


益優君


潛艇能用核動力,因為它只要轉動螺旋槳就能跑。

航天器(不是飛機)是需要噴射的反作用力來飛的,它得有東西讓它噴才能飛起來,核動力,它噴啥嘞?


破曉修羅


主要還是核安全問題吧!飛機飛的地方大多都是居住區,人類密集的地方,相對安全問題來說存在很大的隱患,不適用于飛機,其次我覺得還有硬件設備技術問題,在重量上肯定會增加很多,對飛機也不好。。。


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