作者说花了一个春节的时间来写这个长文，虽然核热推进的比冲是现役最高效化学推进火箭的两倍左右，但并不是想力推核热火箭发动机技术，而是让大家了解这个技术，了解这个技术发展中参与者的决策过程，并慎重的看待核能，毕竟她一半是天使、一半是恶魔！
对近地行星，如火星、土卫六进行载人探索任务的难度特别大，包括生命支持系统、电力供应和航天器推进系统。航天器推进系统的尺寸、重量对运载器结构有重大影响，是执行任务所需的最重要的考虑因素。因此，有必要开发行星际推进系统，使其性能和比冲量远远超过常规化学火箭。热核动力火箭具有潜在的比冲潜能，是化学系统的两倍多，非常具有吸引力，这个设想，最早是由参与曼哈顿工程的斯塔尼斯拉夫·乌拉姆(Stanislaw Ulam)和弗雷德里克·霍夫曼(Frederic de Hoffmann)在1944年提出的。
但说到核，对于了解切尔诺贝利核事故和福岛核事故的朋友来说，即便核设施在设计上再安全，遇到最不确定的因素——人，还是会有很多意外发生！如果你去搜索一下“日本东海村核临界事故”（主页君建议：如果你刚吃完饭，或者正在吃饭，最好别搜），我相信你回来再看这个文章，你首先会对核能产生敬畏之心！然而60年前，有一些人，冒天下之大不韪，挑战极限！他们试图用核反应堆替代传统液体火箭发动机的燃烧室……
一、美国热核火箭项目背景
一开始其实是为了打仗！1954年秋天，美国空军（USAF）和 NACA（1958年改组为NASA）还不确认化学火箭发动机是否能够有效的投射洲际弹道导弹（ICBM），因此美国空军委托AEC（Atomic Energy Commission，原子能委员会，后并入美国能源部）研究这种推进装置的可行性，具体由洛斯阿拉莫斯（LSAL，洛斯阿拉莫斯国家实验室）和劳伦斯利弗莫尔（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）的核实验室进行。两个实验室都在1955年3月完成初步方案设计，结果相当令人鼓舞！美国在1955年启动热核火箭研究和开发，洛斯阿拉莫斯实验室主导了Rover（流浪者）项目，研究重点是针对反应堆燃料和反应堆系统的研究，这些系统可以在2200°K以上的温度下用氢气工质进行工作。到1958年，宇宙神火箭可以满足发射洲际弹道导弹的需求，军方开始失去兴趣。
NASA把热核发动机（主页君注：文中部分用词为“热核推进”，与更通用的叫法“核热推进”意思相同，为尊重作者，未作修改）考虑作为太空探索的重要选择，和AEC共同启动了NERVA(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)项目，AEC资助的反应堆研究和技术开发以及反应堆和燃料测试设施的开发，NASA的资金主要用于无核部件技术、发动机系统开发以及发动机测试设施的设计和建造。两个单位在1960年8月31日成立了SNPO（Space Nuclear Propulsion Office，航天核推进办公室），SNPO的建立使得AEC和NASA得以协同工作。
1961年5月25日，在尤里·加加林第一次载人轨道飞行仅一个月之后，约翰·肯尼迪总统发表了他着名的登月宣言，但不为人知的是他的第二个空间建议：“加速发展Rover核火箭……它提供了一种更加激动人心和雄心勃勃的探索空间的手段，或许将超越月球，或许到达太阳系的边缘！”
总统发话了！马上，6月10日，Rover / NERVA项目选择阿罗杰特（Aerojet）和西屋公司（Westinghouse）作为承包商，在Rover基础上全面启动NERVA发动机研发！
但老美头脑还是清醒的，在优先级排定上思路非常清晰：
原则一：安全第一！
安全性和可靠性要求，优先于重量和性能。初期，计划制造核动力空间试验机（RIFT：Reactor-In-Flight-Test ）发射上天。在1962年的事故之后，63年该项目重新定位为地面试验，全面研究热核发动机技术，重点放在关键发动机部件的研发。
原则二：储备技术，模块化设计，满足后续各种可能的应用
Rover/NERVA优先任务是应对未来10到20年的NASA空间任务规划，NASA的后续太空探索计划瞄准后阿波罗时代的月球探测和载人火星探测。但两个任务的要求不一样！
火星任务的推进系统要求最为苛刻,为满足任务需要，太空船的重量会在1.5至3百万磅之间，对于热核火箭而言，比冲要求超过800秒，推力要求超过20万磅。如果该热核火箭被研发成功，仅需四个月就能将载人飞船运抵火星，将缩短100天左右，运抵土星卫星也仅需三年的时间。
月球任务的发动机推力要求低得多，低于10万磅。
鉴于上述不同的需求，确定采用小推力发动机、多种组合的模式，单台发动机推力为75,000磅，比冲825秒。
值得注意的是，反应堆功率需求略超过1000MW，与洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的KIWI-B反应堆的设计要求很相似。
热核发动机的主要工作原理，是推进剂在加压贮箱驱动下启动，离心式流量泵驱动推进剂，推进剂被核裂变能量加热，并高速排出。下面详细分解展开讲！
二、推进剂冷却剂工质的选定----为什么又是氢？
裂变类热核火箭发动机其本质是将核反应堆小型化，并安置在火箭上，用核燃料作热能源，替代传统液体火箭发动机的燃烧室，液氢、液氦、液氨等工质流经反应堆吸收热量后，通过火箭喷管喷射出去。
这里对工质有几个要求，一是导热性要好，能够不拖泥带水的迅速吸收反应堆的热量；二是热能要高效转化为动能；三是在外太空容易找到并制备。大家有把目光聚焦在氢身上！氢：“为什么又是我？”
（一）氢具有优良的导热性能
比大多数气体的导热系数高出10倍，而氢在高温低压状态下容易离解为原子氢，导热性能甚至可与金属材料相媲美，氢的是最好的冷却介质之一！
（二）氢的速度转换效率高
气体在受热膨胀，根据热力学定律，一部分能量转化为分子转动的动能，无法产生推力。单原子气体如氦气，球形对称，分子没有这种损失。
二原子分子，如H2可以绕连接方向的轴和垂直这个方面的轴旋转，好比哑铃打滚，按照统计力学的均分定律，有效能量会均分给各个自由度，因此这种分子在热平衡中有3/5的能量转化为单向运动，2/5转化为旋转运动。
三原子分子如水分子有六个自由度，损耗更大！
虽然从理论上来说，喷管的扩张比做到足够大，而让燃气充分膨胀和冷却，将自由热能转化为单向分子运动产生推力，损失的旋转能最大限度地恢复为动能，但是这不现实，喷管也要有一定的强度的，要能够抗高温，喷管也是有份量的！因此选择氢最合适，速度转换效率高。
（三）氢相对来说容易制备
氦虽然脾气淡定，宇宙中第二多的元素，中子截面条件仍是很好，但贵！得到氦气的办法就是靠钻取天然气，然后把氦气从天然气中分离出来。目前我国的氦气，基本是进口，现在市面上还需要100块一方。更重要的是，氦气，是气体，密度低，密度太小, 控制不易，并不适用于作慢化剂,
而氢，在宇宙含量90.8%，排名第一，地面测试上相对便宜，在外太空找到的希望还大一点！而且后面也要讲到，氢对于中子散射截面大，一物两用，在保护宇航员防止中子辐射方面有意想不到的功劳。
再加上，通过喷管逸出的分子的质量越小，其速度就越大，比冲更高，氢因此成为NERVA当仁不让的推进剂工质兼冷却剂。
三、核火箭发动机循环方式的选择
把氢工质从贮箱带出并流进核反应堆吸热，还是需要一定的驱动力的。推进剂驱动循环的选择是NERVA项目系统设计的关键，因为开式或者闭式循环，对推进系统性能（比冲）和发动机启动特性有较大的影响。NERVA项目组进行了反复论证。
工业界习惯把效率最低的开式循环，如瓦特发明的蒸汽机，称为BUTTOMING，闭式循环，效率最好，叫做TOPPING。
剔除明显不妥的1、2、3，在决策中，4和5？究竟选择谁？
在追求比冲还是安全之间，NERVA项目组考虑安全，采用了保守方式，选择了开式膨胀循环。大约3%的液氢吸收喷管、压力容器、反射器和控制棒的热量，液氢调和冷却后用于驱动涡轮泵，其中排气用于姿态控制或直接作为废气排除，牺牲了一定的比冲。
笔者认为，选定的开式循环，是准确把握了原则一：安全第一！
闭式循环，在启动过程中，基本有这么6步，1.反应堆启动-2.氦气挤压液氢进入冷却通道吸热-3.气化膨胀-4.驱动泵-5.泵送液氢-6.液氢再吸热，然而反应堆的高温会导致推力室压力陡然升高，涡轮泵的背压的突增会导致泵送量出现明显下降的情况。这个循环在普通化学推进剂条件下，试验失败就失败了，但对于核能，如果泵送的液氢量不够，吸热不充分，堆芯温度升高，如果不能准确反馈至控制棒，结果会让反应堆非常危险----融堆！
而开式循环下，背压恒定，就是一个大气压或者真空环境0压力，泵工作相对独立，各分系统之间的耦合小！牺牲一点比冲换取的是试验的安全，掌握大量的数据之后，再上闭式循环就稳了！
果然，洛斯阿拉莫斯在后续给航天飞机货舱搭载的热核发动机方案中确实是采用了全流量闭式膨胀循环。
不过喷管的冷却通道的研制也是一个技术难点，因为需要承受极高排气温度，这个工作温度，要高于普通化学推进剂！这款再生冷却喷管，由洛克达因（Rocketdyne）提供
四、空间反应堆是个棘手的难题
虽然，领导说了，安全第一！不过对于项目本身，小体积、轻质量、高功率、而且安全的空间反应堆研制，是一项工程挑战！项目组是真抓实干的！
作为一个核裂变反应堆，除前述的冷却剂，包含的要素有这些，核燃料、慢化剂、中子反射层、冷却通道构型等。
（一）反应堆，武器级的高浓度铀-235
前述反应堆功率需求略超过1000MW，这是什么概念，这约是秦山核电站一期30万千瓦机组的热功率，100万千瓦。要发射这么一个几万吨重的反应堆，逆天！怎么办？
反应堆的功率，可以简单的认为和反应堆的铀-235数量成正比。普通商业核反应堆使用丰度为3%的低浓缩铀-235，为了减重，NERVA空间核反应堆使用了90%丰度的浓缩铀，武器级！拼了！
这一招，大幅度减少反应堆的质量。
小男孩核弹，90%丰度，武器级U-235的正确用法
不过，反应堆的核燃料，不能由纯铀组成，因为其熔化温度为1400K，远低于发动机达到的3200K，融堆后，铀堆积在反应堆底部，在没有控制棒的管控下，能够轻易达到临界点。常用燃料是二氧化铀，其固体状态保持在3075K，并且不会与氢发生化学反应。也可以使用氮化铀，碳化铀或铀与氢化锆的混合物以及其他变体。
（二）慢化剂的选择
一个典型的核裂变反应如下图，一个中子轰击一个U-235原子核，裂变产生新的元素，并根据质能方程产生热能和少部分动能和辐射，还另外放出2～3个中子，这些中子再去轰击边上其他U-235原子核，然后又有新的中子放出，如此反应就可以持续进行，称之为链式反应（chain reaction）。
裂变反应，取决于平均一个中子在逸散前可以通过撞击原子核产生多少个新的中子，这个数大于一，超临界，一般来说就能产生裂变链式反应（Chain Reaction）。
不过裂变产生的中子，很大一部分能级比较高，放出的中子速度秒速约3万Km，被称为快中子，但是U-235对中子撞击的速度比较挑剔，快中子，很难命中原子核起反应，只有大概2200米/秒的，所谓热中子，才能有明显反应。因此需要一种材料，减慢中子速度，从而增加裂变的机会，石墨、重水是公认的最好的慢化剂，其中石墨对中子的吸收截面低于重水，且价格便宜，又是耐高温材料(3990K)，适合后续空间飞行，石墨被入选。
但是，前述的氢与组成石墨的碳在高温下会反应，事实上除非找到有效的保护涂层，否则氢将严重腐蚀石墨并在高操作温度下形成甲烷或乙炔，这必然导致腐蚀！经过测试验证，碳化铌和碳化锆被证明是减少腐蚀最有效的方法，所有的燃料元件都被涂覆以防止高腐蚀率，涂层技术的改进将腐蚀速率降低了一个数量级。
但涂覆碳化铌或碳化锆并不简单，这种材料有恼人的问题----太脆，破损将导致石墨和燃料暴露，解决这个问题是美国Rover和NERVA计划的工程师面临的最大问题之一。
直到最后，苏联和美国都不约而同的想到了氢化锆作为慢化剂，全面替代石墨。
（三）燃料棒结构选取
气氢导致的流致振动引起石墨复合燃料元件横向开裂是一个常见问题，导致许多测试由于燃料元素碎片被喷射到内华达沙漠而中止。为了解决这个问题，燃料棒采用了蜂巢设计，依靠燃料组件的固定棒以及蜂窝结构核心的中央支撑模块强化结构。如下图，KIWI B4型号反应堆结构。
1、燃料棒结构
每一个燃料模块有19个氢冷却通道孔，用于气氢流动，加热气氢并使之高速排出。
各个燃料模块，公头和母头插在一起，对于中国广大的读者来说，这个高科技原型，一定不陌生！生活中可以找到原型----蜂窝煤……
然而，为了让氢气带走足够的热量，选择氢冷却通道的形状和尺寸是一项极其复杂的任务，流体动力学并不简单（不过后面会讲到，苏联人的巧妙办法）。而且“蜂窝煤”极高精度要求的石墨沉积，对于当时Rover项目来说，难度不小。
19孔碳化铀-碳化锆复合燃料组件，注意燃料模块的公头和母头
公头和母头对接之后，用中央支撑系统的钢杆串起来，固定在支撑板下侧。见下图。
2、蜂窝支撑结构
六个铀燃料石墨燃料元件，中央是未装料、有大孔的石墨冷却支撑单元，底部支撑块托住。该结构将被能够反射裂变中子的材料包围，以便减小反应堆的尺寸并控制反应堆的临界性。
3、涂层保护，避免氢气腐蚀
周围排列了被放置在，燃料元件中的冷却剂通道和热端的外表面涂覆碳化铌或者碳化锆，保护燃料元件免受氢的腐蚀。
（四）反射层和控制棒
另外，反应堆还需要一种材料，对中子俘获截面小，又能反射中子，这种材料是金属铍，构建的中子反射层能把核装料中逸出的部分中子反射回裂变装料的壳层。高效的中子反射层的核装置让裂变装料的临界质量较小，可节约裂变装料。
利用位于反射层外的十二个旋转控制棒用于功率控制，控制棒一般是由硼和镉等易于吸收中子的材料制成的，NERVA采用了硼铜合金片，旋转控制棒，吸收的中子，实现对反应的控制。采用旋转，而不是商业核电站的插入式控制棒设计，明显缩短了发动机的长度。
（五）防辐射
在长时间去火星的征程上，，反应堆会不会对航天员的健康产生危害？这种情况必须认真考虑！
伽马射线可以用高原子序数的材料（如铅）使用足够厚的屏蔽来制动。不幸的是，这一要求与宇宙飞船中的质量限制相冲突。另一方面，尽管可以使用诸如硼或铪的元素作为辐射防护盾，但中子仍然难以停止。幸运的是，氢气很好地吸收了这些颗粒，因此氢气罐对于船员来说是一个理想的屏障。
在Rover和NERVA项目期间进行的测试表明，由于整个任务期间反应堆将保持关闭状态。因此从火星到火星的反应堆的辐射剂量是可以接受的。从某种角度来说，宇航员辐射问题并不是否定热核火箭发动机的充分条件。
五、洛斯阿拉莫斯的惊险研发
洛斯阿拉莫斯的Rover项目侧重负责反应堆的技术可行性研究，而西屋公司和阿罗杰特负责在其基础上，以KIWI-B4为样本，进行热核火箭发动机技术验证研究。
石墨反应堆系统是整个洛斯阿拉莫斯Rover项目的核心研发对象，第一代是KIWI反应堆，第二代更高功率的被称为Phoebus（太阳神），有着更大的功率（4000 MW）而第三代则是熟知的Pewee（京燕），更高的功率密度和更长效的燃料，一共生产了14个核反应堆。
（一）摸石头过河的KIWI-A/B可行性研究
KIWI，鹬鸵，奇异鸟，新西兰的无翼鸟，两翼退化，不能飞行，被用来命名洛斯阿拉莫斯第一代热核火箭反应堆，隐喻这是一个地面试验项目。也确实，遇到了诸多不顺，而且致命：
第一代KIWI-A系列，于1959年和1960年进行测试，证明氢工质在高温条件下的操作可行性。KIWI-A/A’/A3一共3台反应堆进行了试验，气氢作为工质，采用化学气相沉积碳化铌（NbC）的保护涂层有明显的改善作用，成功的将功率水平提升到100MW。
注意右侧KIWI鸟，鹬鸵，奇异鸟，新西兰的无翼鸟，两翼退化，不能飞行
这里也说一下，鉴于热核火箭的强大威力，所有这些都在位于拉斯维加斯以西约100英里的内华达州试验场（NTS）的Jackass Flats试验区，坐着小火车去测试。
第二代KIWI-B系列反应堆，将KIWI-A约100MW功率提升到1000MW，开始真正用液氢作为工质，启用铍反射层、洛克达因开发的液氢冷却喷管和氢泵。
1962年9月1日成为太空探索史的关键日子，好比是终结者系列的《审判日》。在内华达州沙漠的一个偏远地区，测试按计划开始。KIWI-B1B反应堆被激活，液态氢同时被作为推进剂和冷却剂开始流过堆心，与2000°C燃料棒接触，氢气被迅速加热，喷射！好像在向上天宣告核动力航天的创世纪！
反应堆的控制棒有效地启动并控制，但提升功率到约900兆瓦后不到一分钟，反应堆结构破坏，二氧化铀和裂变期间产生的放射性同位素通过喷管排入大气，该测试立即取消。
那些在场的工程师都坚信，失败乃成功之母，热核火箭发动机被寄予期望，在80年代初期进行火星载人之旅！虽然测试提供了气氢、液氢两相转换的重要的信息。但事实上，KIWI-B1B反应堆事件招来了怀疑的眼光，并随着紧挨着的KIWI-B4A试验失败，标志着热核火箭命运的转折点！
在KIWI-B4A设计中，启用本文上述介绍的19孔六角形燃料元件组件配置。1962年11月30日测试开始，功率增加达到250 MW时，喷管排气中突然出现闪光，不好！反应堆堆芯损坏。拆卸后，发现几乎所有的燃料元件由于整个堆芯的剧烈振动而断裂。
1963年1月3日～4日，SNPO办公会议上， SNPO经理、副经理、洛斯阿拉莫斯的董事Norris Bradbury博士、NASA兰利和刘易斯研究中心等项目各方，磋商下一步怎么走。暂停还是恢复，各方各执一词！会议最后制定了全面的协作方案，以解决问题，包括洛斯阿拉莫斯实验室和西屋公司共同分析反应堆设计，对包括组件和子系统以及振动测试广泛测试、KIWI-B4A需要在液氢冷流通过不装料、不裂变等各种情况下进行清单式测试，确认造成失效的振动原因。
测试于1963年5月15日进行，证实了洛斯阿拉莫斯一个错误的设计。在1963年8月，新设计起效。10月，根据这些结果，批准进行重新设计并对KIWI-B4D反应堆进行建造和热测试。
在1963年下半年，两次事故，阴霾笼罩，总统在预算讨论中拒绝了飞行测试，，仅同意地面进一步测试方案。即便1964年2月、5月的KIWI-B4D和9月份的KIWI-B4E测试(更耐热和耐腐蚀的碳化铀燃料取代铀氧化物)，基本获得了成功。
KIWI-B4E测试完成了洛斯阿拉莫斯KIWI反应堆的工作
既然上不了天，那么就打破沙锅问到底，不见阎王不落泪！为了彻底摸清核反应堆过热爆炸产生的后果，1965年1月12日，进行了冠名为“KIWI-TNT”破坏性试验，模拟最坏情况！控制棒扭到完全打开“OPEN”位置，故意进入超临界状态，仅仅在156毫秒之后，KIWI-TNT反应堆就发生了爆炸。。。
这是真正的反应堆被炸上天！
KIWI-TNT炸剩下的石墨燃料残片（嗯，居然还能有剩下的）
爆炸，只是爆炸，并不是核爆炸，直观的感受像是7月4日美国国庆日放的大烟花！事后的分析，核裂变产生的高温让石墨汽化，产生高压，将抗动压3000PSI的耐压壳体炸裂。但整个爆炸的当量，仅相当于200～300磅的黑色火药，并不是2～3万吨TNT当量的核爆炸。
在场的工程师，也许暗地里高兴，最坏的情况也不过如此！后面可以放手开干！核热发动机还可以抢救一下，去上天！
不过，老百姓怎么想的，可能截然相反……
（二）洛斯阿拉莫斯的太阳神（Phoebus）反应堆
洛斯阿拉莫斯继续进行前沿性的工作，1965年推出第二代，太阳神（Phoebus），旨在实现更高功率和温度，反应堆直径从KIWI-B4E的35英寸到Phoebus 2的55英寸，反应堆理论上可达5GW，测试达到4082MW，持续12.5分钟，相当于超过20万磅的推力。Phoebus 2A反应堆系列是迄今为止最强大的反应堆，超过大亚湾核电站百万千瓦发电机组的热功率（二百九十万千瓦）。
Phoebus 1B 被运往测试场
洛斯阿拉莫斯后续在1968年研制PEWEE-1，1972年研制的NF-1核炉，两者都是小型反应堆，514兆瓦和44兆瓦，重点在于提高燃料棒的耐用性，同时提高温度和可靠性，规划在太空使用。PEWEE-1也将是美国使用铀 - 锆氢化物作为燃料的核发动机的唯一原型。
六、一步一步逼近核热火箭实用型号
上述是Rover项目，严格来说NERVA和他是独立的，但由于参与的技术和机构基本相同，有时候NERVA会被认为是Rover的延伸。与Rover不同，NERVA更进一步，旨在开发基于KIWI B4E反应堆技术的运行核热火箭发动机原型。该项目的测试在1964年和1969年之间开发，并与Rover项目共存。
NERVA反应堆被命名为NRX（核反应堆实验），阿罗杰特（Aerojet）和西屋公司（Westinghouse）为承包商，选择了比冲825秒，推力75000磅的KIWI-B4E核热动力火箭设计作为22英尺高度NERVA NRX（核动力火箭实验：Nuclear Rocket Experimental）的蓝本。
（一）目标达成
当时设定核动力涉及的太空任务，发动机需要具备多次启动能力，最多需要工作1或2小时。NRX / EST测试计划的主要目标是，证明在没有外部电源的情况下启动和重启发动机的可行性；利用喷管和反射器周边的热能启动涡轮泵的可行性；以及在启动、关闭、冷却和重启期间评估各种系统稳定性、可控性。
到1969年底，在NERVA I阶段建成六座NRX反应堆，分别为NRX-A2，A3 ，EST（发动机系统测试），A5，A6和XE（完整的发动机系统），6台发动机，每座反应堆的功率约为1100 MW，在超过1 GW的情况下，在2200K工况下，比冲约为800秒，进行了长达62分钟的测试。
（二）上天型号的成品
作为正式可以飞行的发动机型号是NRX-XE，核反应堆功率1100MW。
成品！
成品核发动机全高22英尺，从顶部到底部所示的部件由锥形上推力结构；4个氦气贮箱紧挨着上联氢贮箱，用于对液氢贮箱进行加压；上推力结构和下推力结构之间由万向节组件组成；涡轮安装在下推力结构中；反应器和内部屏蔽罩包含在压力容器内。
离心式涡轮泵对液氢加压，液氢进入泵出口并流向喷嘴冷却通道，从喷管、压力容器、反射器、控制棒、顶部辐射防护盾吸收热量，一部分气氢被液氢降温后驱动涡轮泵并排放，97%的气氢进一步从反应堆燃料冷却通道并被加热至高温。达到高排气速度和高比冲。
（三）“测试表明核动力火箭适合太空飞行任务。”
在完全应对空间飞行任务的测试中，液氢流量32kg / s，通过加热至2475℃（2550K燃料），推力室室压3.86MPa，产生244 kN的推力，比冲达到710秒（真空比冲820秒），其中涡轮泵功率大5.1MW，总共运行3小时48分，XE发动机的单次时长为90分钟，其中全功率状态下跑了11分钟，超过了当时反应堆的运行时间的近两倍，要不是把测试基地的液氢用光，测试时间还可以更长一些。
最终NERVA I计划的标称功率为1500 MW，比冲825秒。按照设计，该引擎可以重新启动10次，持续工作1小时。其可靠性预计为0.997，即比任何现有的液体火箭发动机好10倍以上。重量为15000磅，推力为334kN。未来的升级计划将使反应堆运行在2600K，比冲高达900s。
主页君插一段，900s的比冲是人类目前实用化的效率最高的氢氧发动机比冲的整整两倍，这种效率级别的发动机可以为深空载人探索任务提供极大的便利，尤其是载人火星登陆任务，在同样的起飞重量下，它能够大幅度增加最终投送至火星表面的载荷重量。下图来自于往期介绍过的《赶往火星——红色星球定居计划》，其中就对采用核热发动机进行载人登火的巨大优势做出了对比，该书成于战神火箭时期，当时规划中的DRA火星登陆架构中就规划了核热推进作为一部分。但之后随着战神计划被砍掉，目前最新的以“深空之门”环月空间站为第二步的探索路线图中已经基本看不到核热推进的身影了。
XE测试系列具有重要意义，因为它证实了核热火箭发动机适用于太空飞行应用，并且比冲两倍于传统化学火箭系统。所有发动机可行性问题都得到了成功解决，没有观察到任何组件或系统问题，并且飞行核火箭系统的开发可以放心进行。NASA和SNPO认为“测试表明核动力火箭适合太空飞行任务。”
发动机测试台中的XE发动机用于全发动机测试
七、就此结束
Rover/NERVA项目累计了17小时的运行时间包括6小时温度2000K以上的运行。但NASA在1969年的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。洛斯阿拉莫斯在后续的Rover计划中虽然研发了Pewee和核反应炉，但最终于1972年也彻底终止。将人类送上月球和火星计划被无限期推迟。
在1972年，洛斯阿拉莫斯实验室还做了另外一个研究，当时的美国计划用航天飞机可以将一个重达5890磅（包括防护盾）的16000磅力推力NTR带到LEO。这个核热火箭发动机被提出可以为行星际任务提供动力，同时也可以作为推动从LEO到GEO和其他轨道的“太空拖轮”。 洛斯阿拉莫斯实验室使用了PEWEE反应堆，考虑在真空环境中工作，采用了全流量闭式膨胀循环，推力72 kN，液氢流量在8.5 kg/秒时比冲达到874.8秒。
然而，由于成本，政治支持下降，缺乏明确的任务使命和其他原因，这个计划在尼克松总统任期内结束。（该死的尼克松，活该他因水门丑闻而下台，主页君吐槽）
在Steven D. Howe博士撰写的《ASSESSMENT OF THE ADVANTAGES AND FEASIBILITY OF A NUCLEAR ROCKET FOR A MANNED MARS MISSION》文章中，称整个Rover和NERVA计划，花费了15.22亿美元，折算在1985年是35.01亿美元。
八、对手也没闲着----苏联的核热火箭发动机（RD-0410）
相比美国，苏联在核火箭发动机领域走的慢，但走得更远。早在1950年，苏联就开始研发核热火箭推进技术。美国取消载人登陆火星后，苏联评估认为，只需要15年时间，划时代的核热火箭发动机就将具有实用价值，因此仍咬牙坚持发展。从1970年到1988年，苏联共进行过30次核热火箭发动机的模拟试验，均取得了成功，研制了推力3.5吨的RD-0410和70吨的RD-0411两种核发动机。
RD-0410（РД-0410，GRAU索引号：11B91）是1965年至1980年代开发的使用液氢推进剂的核热火箭发动机。与NERVA相比，同为开式膨胀循环，但该发动机的性能（排气温度和比冲量）略高，真空比冲达到910秒，推力3.5吨，重量2吨，高3.5米，直径1.6米。苏联工程师天马行空的创新力，是值得喳喳称赞的，虽然苏联的设计看起来很简单，但事实上它包含了非常巧妙的解决方案。
（一）巧用氢化锆作为慢化剂
燃料棒是由嵌入碳化锆基体中的碳化铀形成的，而所选的慢化剂则是氢化锆（ZrH）。由于采用了氢化锆作为慢化剂，在相同的慢化效果下，体积更小，因此允许每单位体积具有高功率的紧凑型反应堆。但最大的好处是回避了高温下，氢对石墨慢化剂的侵蚀。RD-0410氢气流与燃料棒的直接接触加热,不过为了防止氢和其他碳化物的化学反应，需要添加约1％的庚烷到氢气中。
（二）巧用麻花杆形状结构
铀燃料棒的形状像麻花杆，七个或九个单元集合的棒条形成了液态氢的通道，但采用螺旋形设计，增加了冷却接触面积，在当时没有超级计算机情况下，这种设计还允许使用流体动力学计算来建立更加紧凑和简单的反应堆模型。
而且这些通道中的燃料棒即便断裂，对不起，剩下的那截挡路，下面死路一条，除非断成粉末，否则出不来。这种设计增加了其安全性。反应堆芯的其他难点设计包括/碳化钨燃料和氢化锆慢化剂之间的绝热。
各种麻花杆
注意看当中的麻花杆
（三）铀燃料浓度不一，冷暖自如
每个麻花杆的铀棒在上部含有及高比例的铀，氢气被迅速加热；氢跑到燃料棒下侧的时候，这时氢气已经非常热了，所以传热速率在该区域中不需要如此高的浓度，因此燃料棒下部的铀含量被降低
这种巧妙的通过修改燃料棒中铀的纵向浓度，效果极好！
整体来讲，苏联人的设计很多创新亮点，比美国的更紧凑，效率更高，更安全和更便宜！然而苏联解体后的动荡让这些成果失去意义。1994年俄罗斯彻底放弃核热火箭发动机，据称很大部分相关研究资料后来被美国获得。
图为苏联RD-0410核火箭发动机
要进一步直观的了解，可以看微博@China航天的视频：前苏联RD-0140核火箭发动机
九、空间使用核能的后续展望
虽然核热火箭发动机没有上天，但美苏很早就利用小型原子能反应堆做的核电源作为深空探测器和卫星的主能源，美国发射的“先驱者”10/11号探测器、“旅行者”1/2号探测器等探测器都使用RTG核电源。
苏联则在1967-1982年发射了多颗用核反应堆作为电源的侦察卫星。但安全问题其实一直困扰着民众：
1、半失败的阿波罗13号登月舱的RTG最后在斐济海域溅落，目前还躺在海底。钚-238的半衰期为仅为87.7年，相对短的半衰期可以尽快解决各种事故后遗症
2、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，对周边10万平方公里的地区造成辐射污染，苏联国际形象也因此大损。
3、正当苏联与加拿大就赔偿问题讨价还价时，1983年1月“宇宙1402号”核动力卫星再次发生类似故障，幸运的是核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。
这段时间堪称核动力卫星的黄金时期，然而接连不断的事故摧毁了人们的信心。然而此事的恶劣影响让苏联和美国都彻底放弃了核动力卫星。美国也仅仅在后续伽利略木星探测器、新地平线号冥王星探测器、卡西尼土星探测器、好奇号火星探测器等行星考察项目中使用，发射过程中也是提心吊胆、慎之又慎！
对于核热火箭动力的研究，其实也没有中断过，比如1983年美国军方的Timberwind项目、1993年美国空军在SNTP计划，前者研究较Rover项目更轻更小的核火箭发动机，后者研究使空间核反应堆更加紧凑和能够承受更高操作温度和或更多动力循环的方法，但披上的是军用的外衣。
2017年 8 月份，美国宇航局宣称与原子能公司 BWXT 签订了一份 1880 万美元的协议，基于NERVA项目的研究成果，为新的核热推进系统（NTP）设计燃料和反应堆，为了更快到火星 NASA重启核裂变火箭发动机研究。
但笔者花了一个春节的时间来写这个长文，虽然核热火箭的比冲是最高化学推进剂火箭的两倍左右，并不是想力推核热火箭发动机技术，而是让大家了解这个技术，了解这个技术发展中参与者的决策过程，并慎重的看待核能，她一半是天使、一半是恶魔！
核热火箭发动机的比冲是化学火箭半人马2倍
后续的空间使用，需要基础级火箭的可靠性达到值得民众信赖的水平，逐步采用核反应堆驱动的新型大功率离子推进器，再考虑在上面级中引入核热推进技术的建议。
最后讲一个当时NASA的冷笑话“…估计使用NERVA的核热动力火箭发动机升空时，发射场下风口将不会有任何欢呼的观众…”
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楼主: hzbms
沪公网安备 31010702007642号 )
发表于 2018-4-5 17:22
翻太快没注意
