核动力火箭——航空火箭未来发展的必然趋势

众所周知,随着太空探索、航天技术的发展,现在的航空火箭要承载的任务越来越多。相对的,要运送的货物也就越来越重,火箭质量呈指数增涨。
动力,作为火箭的核心之一,一直是航空发展的桎梏所在。
化学火箭,航空火箭的一种。它以其较低的技术要求使得它成为了这个世界上运用最广泛的动力火箭。按其所用推进剂的物理状态,化学火箭可分为液体火箭、固体火箭和固液混合火箭。其中,液体火箭常被用于人造卫星、飞船、航天飞机等航天器的运载火箭。
时至今日,航天技术不断发展。然而,最新的化学火箭在技术上却迟迟没有实现较大突破,新设计也大多围绕可回收的方向发展,革新技术几乎难觅踪影。
是不是传统化学火箭就已经快走到尽头了呢?
19世纪末20世纪初,科技快速进步,近代火箭技术和航天飞行开始发展起来。前苏联、美国、德国先后开始从事火箭技术和航天飞行的研究。他们最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空,并且建立了火箭运动的基本数学方程,奠定了航空发展的理论基础。
1960年11月5日,我国第一枚近程火箭发射试验成功。随后,我国拥有了长征号(cz)系列运载火箭,cz-1、cz-2、cz-3、cz-4四种基本型运载火箭和cz-1d、c(cz-2c)、cz-2c/sd、cz-2d、cz-2e、cz-2f、cz-3a、cz-3b、cz-4b等几种改进型。 这些火箭均属于化学火箭类型。
1990年4月7日,中国cz-3运载火箭发射成功美国制造的亚洲一号卫星。长征火箭成功地进入了国际商业发射卫星的行列,至今已将27颗外国卫星发射上天。
经过了短短的几十年的发展,采用液氢-液氧作为推进剂的化学火箭很快遍布全世界,成功实现了人造卫星、航空器进入太空的梦想。
的确,随着人类不断探索新的火箭技术,比如激光推进,微波推进,等离子发动机,核裂变发动机,核聚变发动机等等新型动力的火箭的出现,传统的化学火箭已经在成本、安全、效能等方面优势不在。
传统化学火箭在技术上已经快要走入尽头了,接下来无非是减少成本,优化结构,在很有限的范围内提升发动机比冲和运载效率。虽然化学火箭是当下最普遍的航空运输工具,但受制于其高昂的成本和较高的危险系数,其“寿命”最多还有30年,或者更少。
那么未来航空火箭动力的突破点会究竟在哪个地方呢?
各国科学家一致认为,电火箭、核动力火箭、太阳能火箭等新能源火箭将是未来航空火箭的发展方向。
电火箭(electric rocket) 用电能加速工作介质形成高速流而产生推力的火箭发动机推进的火箭。
1906年美国r.h.戈达德提出用电能加速带电粒子产生推力的设想,并于1916年进行了初步试验。直至1960年以后,苏联、美国才研制出各种电火箭发动机,并进行了空间飞行试验。中国和其他一些国家也相继开展了电火箭的研究和制造。截至目前,已研制成功 100多个不同类型、不同尺寸的发动机,使电火箭发动机进入了实用阶段。
1982年1月,我国第一次成功地进行了电火箭的空间飞行试验。这次试验标志着我国电火箭的研制工作已经进入了一个新阶段,使我国继美、苏、日后,有了一种新型空间微推力火箭。
核动力火箭,是用核能作为动力,代替传统的化学能燃料的火箭,无论是在动力上还是续航力上都比传统的火箭有着无可比拟的优势。
早在20世纪初,得知居里夫人提炼出放射性元素镭之后,俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言:“一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”
科学家提出了新型核动力火箭的设想,通过小当量的核爆产生核脉冲推力来驱动火箭,从而使的火箭的速度能达到7%的光速,该想法如果要实现,需要大量的资金投入,而且技术上还面临许多瓶颈。如果解决这些困难,那么恒星际之旅不再只是空谈,因为核动力火箭可以带来强大续航力,这是传统化学能发动机所不能比拟的。所以核动力火箭是未来的新方式。
不过核燃料不仅存在大量的技术问题,而且也污染环境。二十世纪80年代世界上的很多科学家就提出,作为常规能源的化学燃料的原料贮量,最多还能维持使用一个世纪,太阳能是没有污染而又取之不尽的极大能源。所以,利用太阳能将成为必然。
利用太阳辐射的能量加热工质,再使其从喷管以高速喷出而产生推力的发动机就是太阳能火箭发动机。
太阳能火箭发动机具有比较简单、工作可靠和对飞行器不产生污染的优点,而且这种发动机有较高的比重和结构质量显著减轻。但是,它热能损失较严重,效率不高。所以这些仍然处于设想阶段,到付诸实际使用还有很长的一段距离。不过太阳能火箭的确适用于大中型航天器的轨道运输和星际航行。
世界各国科学家都承认一点,新能源火箭技术是未来各国竞相追逐的赛场,谁掌握了新能源火箭技术谁将首先主宰太空。