前些天俄罗斯又重新挖出了冷战时期核动力导弹和核动力火箭的脑洞，由此发散了一下，突发奇想写出此文，如果错误欢迎捉虫_(:з」∠)_
背景
1969年7月20日协调世界时20点17分43秒，随着阿波罗11号携带的“鹰”号登月舱在月面的成功着陆，人类终于在除了地球以外的星球上留下了自己的脚印。但在那个航天的黄金年代，只是在月球上留下几个登月舱，几辆月球车，一大堆脚印哪能满足人们的梦想呢？
我们要玩儿点更大的！
建立月球永久基地、载人登陆并往返火星，甚至载人抵达太阳系更深处的地方，让人类从地球这个摇篮里走出去，这是当年很多人们的梦想。而这个梦想如何实现？在当年有很多种方案，从丧心病狂利用核弹冲击波推进的“猎户座”计划，到暴力火箭大毒草UR700无所不包，其中相对有效率也相对可行的方案，可能就是依靠核热火箭发动机那相对化学能火箭高不少的比冲来实现了。本文介绍的就是美国在那个年代的核热火箭发动机研发计划——NERVA（Nuclear
Engine for Rocket Vehicle Application，火箭飞行器用核引擎）
首先，为什么要用核热火箭发动机？
在深空探测任务中，对火箭发动机的比冲要求十分严格。虽然氢氧燃料的化学能火箭可以携带几十吨的载荷到达近地轨道或月球轨道，但是在进一步的深空探测行动中，化学能火箭发动机的性能就会出现不足，我们可以在上面的表格中看到，核热火箭发动机NRX/XE的比冲相比传统化学能火箭中比冲最高的RL-10发动机还要高了接近一倍，优势非常大，用更少的燃料获得更多的速增量，何乐而不为？
历史
核动力火箭计划开始是与核动力飞机一起进行可行性研究的。1955年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）与劳伦斯利佛摩国家实验室开始合作研发核动力火箭，也就是Rover（流浪狗）计划。到了1961年，流浪狗计划的进展极快，大大超出了预期，NASA一瞅，呦呵还挺快！于是乎在其计划的太空探测任务中提前加入了使用核热火箭发动机的方案。最初始的计划是使用LANL的核动力火箭，为计划于1964年发射的RIFT（Reactor-In-Flight-Test/核动力实验飞船）提供动力，并且规划和监督的需求使得NASA与原子能委员会开始合作，成立了太空核推进办公室（SNPO），实验室主任Harold Finger一看，还有不少指标还只停留在纸面上呢，于是乎他做出了延迟RIFT的决定，因为他认为在允许RIFT之前需要实现核热火箭发动机的严格设计目标，这便是NERVA计划的雏形。
技术细节
设计理念与指标
在二十世纪六十年代早期，深度探月和载人火星探险最受关注。其中火星任务对推进系统的要求是最严格的。现有或正在开发的化学推进系统由于过大的飞船重量和过长的任务时间而不适用于载人行星探测应用。对于核动力火箭来说，太空船的重量可以达到150万到300万磅（680-1360吨），对于如此沉重的火星飞船来说，推进用的发动机比冲超过800秒，推力达到200,000磅（90吨）或更多是很有必要的。相比之下，由于月球任务所用的飞船相对较轻，所以其对发动机的推力要求低得多，可以低于100,000磅（45吨）。
经过洛斯阿拉莫斯国家实验室多年的核反应堆研究。工业承包商阿罗杰特和威斯丁豪斯选择于1961年开始开发NERVA发动机。最初计划了一个核火箭发动机飞行测试。然而1962年Rover计划中的几种KIWI反应堆在试车时屡次发生诸如反应堆解体喷出、融堆等严重事故。所以在1963年，核火箭计划进行了重新审查，最终决定该发动机开发计划只侧重于地面测试。
工质的选择
发动机采用氢作为喷射工质，主要原因是因为在核热发动机中工质需要很好的导热和能量转换能力，在这种条件限制下单原子分子氦其实是最优选，但是因为氦在地球上储量太少，制取难度和成本又太高，只能退而求其次选择制取难度较低的氢作为工质。同时由于核热发动机使用的反应堆需要屏蔽辐射确保安全，但对于越轻越好的火箭来说，使用铅等重金属作为防辐射材料显然是不现实的，此时氢的另一个优点便凸显了出来，以硼和其他元素制成的较轻的材料吸收γ射线，同时利用液氢的特性吸收防辐射材料无法完全吸收的中子，在防辐射层和液氢的双重保护下，载荷收到的辐射量大大减小，足以满足载人任务的需要。
发动机结构
如图所示，发动机高22英尺，顶端与液氢储箱连接。从上到下分别为顶部的锥形承力结构和球形氦气储罐，在上下组件中间安装有万向节。，涡轮泵安装在下部结构中。反应堆和内部屏蔽层包含在压力容器内。火箭喷口安装在压力容器上，由液体燃料冷却。
发动机在运行时燃料由加压罐体流出后进入由涡轮驱动的燃料泵，进一步加压之后经管路流向喷管夹层中，冷却喷管的同时吸热升温，之后小部分燃料进入涡轮泵驱动涡轮，之后直接从单独的喷嘴中排出，大部分燃料进入反应堆与压力容器外壳之间的反射层内，冷却反射层和至于其中的控制棒，最终经过反应堆，吸收大量的热量，同时汽化膨胀，由喷管喷出，产生推力。
循环方式的选择
驱动涡轮泵的循环方式选择是设计时的关键选择之一，因为不同的循环方式可能对推进系统性能（比冲）和发动机的启动特性产生重大影响。另外，主要组件的设计和组件之间的交互也会受到影响，例如不同的循环方式可能会影响到反应堆、涡轮泵和喷管的设计。
NERVA发动机采用了开式热循环，如下图，少量经过反应堆堆芯彻底汽化的氢气通过旁路与少量未经过反应堆堆芯的液氢混合，使整体的温度下降到涡轮材料可接受，之后通过涡轮来驱动涡轮泵，做功后的氢气直接以较小的推力排出发动机。此循环方式在对多种方案的全面评估后被选中。替代方案包括挤压循环，气体发生器系统循环，全流量循环，和开式冷循环。这些涡轮循环方式总结在下表中，并对每一种循环都作出了评价，其中包括每个选择的优点和缺点。
主要选择开式热循环是因为开式循环组件可以独立开发和测试而无需与整个系统整合。
反应堆设计
KIWI / NERVA反应堆
被称为NRX（Nuclear Reactor Experimental/实验性核反应堆）的NERVA反应堆的开发选择以LANL在流浪狗计划中开发的KIWI-B4研究反应堆作为基础。KIWI-B反应堆的概念是NERVA计划开始之前在LANL进行了几年的深入研究和开发的结果，因此NERVA (NRX)反应堆决定充分利用之前KIWI的研究和开发工作。
NRX反应堆组件包括反应堆堆芯，反射层，控制棒和内部屏蔽罩，如下图所示。反应堆堆芯由浸渍于热解石墨中的碳化铀颗粒构成的燃料棒组成，并且在轴向中央设置了不锈钢支撑棒，顶部和底部设有支撑块，反射器层铍制成。利用位于反射层中的12个表面贴有硼控制片的旋转控制棒控制功率。该反应堆应用到飞行系统中时，可以产生大约75,000磅（34吨）的推力和825秒的比冲。反应堆运行温度约为2300°K，初始寿命预期为1小时。
该反应堆使用排列在大致圆柱形反应堆堆芯中的六角形石墨燃料棒，每根燃料棒有19个通孔供液氢通过，6根燃料棒包围着一根只通氢气无核燃料的支撑单元，底部装有支撑块，用来托住燃料棒。燃料棒中流通氢的孔洞和外壁上均有碳化锆涂层，用来防止氢气对核燃料的腐蚀并阻止其与石墨基材发生化学反应。
控制棒由铍构成，为缩短整体长度，控制棒不再使用插拔式控制的方式，而是十分有创意的使用了旋转调整控制棒。如下图所示，控制棒上覆盖有硼控制片用于吸收中子，在硼控制片朝向反应堆堆芯时可吸收中子，从而降低功率；在提高功率时只需要旋转控制棒，使铍反射层朝向反应堆堆芯即可。
地面测试
二十世纪六十年代早期，KIWI / NERVA反应堆的技术研究在结构设计和减少燃料棒腐蚀方面取得了长足的进步，在反应堆和燃料技术取得重大进展的基础上，确定发动机系统可行性的早期测试既是可取的，也是必要的。此外，许多发动机测试的实验目标可能比计划提前数年实现。显而易见的是，实现这一重大任务节点的最快方法就是发动机-反应堆系统结合测试，因此NRX / EST（实验性核反应堆/发动机系统测试）成为NERVA计划的一个关键组成部分。
之前的KIWI反应堆测试中有一些组件例如涡轮泵并未采用可以运用在飞行任务中的构型，此次试验才把涡轮泵塞进测试发动机里，发动机组件的布置尽管与常规发动机略有不同，但其功能上与飞行系统中的组件并没有太大差别。关键的发动机组件，即反应堆，涡轮泵和喷管在功能上是可以进行飞行试验的部件。
NRX /
EST测试的主要目标如下：
1. 证明在没有外部供能的情况下启动和重启发动机的可行性。
2. 在不同初始条件下评估启动，关闭，冷却和重启期间控制系统的特性（稳定性和控制模式）。
3. 在较宽的运行范围内研究系统的稳定性。
4. 在多次重新启动的瞬间和持续运行期间，研究发动机部件，特别是反应堆的耐久能力。
NRX /
EST测试计划于1966年2月进行，所有测试目标都成功完成。发动机系统启动并重新启动数次；发动机在较宽的运行范围内被证明是稳定的；发动机温度上升速率符合设计要求；发动机控制系统的性能在瞬态和持续运行时都被证明是可预测且安全可靠的。此外，在额定功率、推力、温度的稳定工况和瞬态工况下，发动机部件的耐久性能都得到了证明。NRX / EST运行了将近两个小时，其中28分钟是全功率运行的。这超过了当时开发的其他反应堆运行时间的两倍。
接近实用
在继续研发了一段时间之后，1969年，他们拿出了真正可以用于太空飞行的核热发动机——NRX/XE。与三年前测试的NRX/ EST相反，XE （Experimental
Engine）发动机在结构和功能上尽量模拟了飞行系统，但只要可能，还是会使用一些仅适用于测试的组件和子系统以节约成本和时间。例如很多阀门和气动系统对发动机系统性能并没有太大影响。另外，在组件中增加了外部防辐射罩以保护发动机部件。这使很多参与系统测试的组件免去了防辐射加固的必要。
NRX/XE在没有外部供能的情况下成功自启动，并在包括全功率运行的一系列瞬时和稳定条件下运行。发动机在多种控制模式下在大范围的工况下安全地运行，特别重要的是在闭环压力和温度控制下操作。这种控制模式计划在飞行中用于控制推力和比冲。XE引擎共运行了115分钟，28次重复启动。XE引擎测试的意义非常重大，因为它证明了一种适合于太空飞行应用的核热火箭发动机，并且在运行时拥有相比化学能火箭2倍的比冲。所有的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，飞行的核火箭系统的发展可以放心进行。
最终NRX/XE引擎的测试结果表明，其可以在反应堆功率为1140MW时产生24.667kN推力、推力室温度2272K、室压3.861MPa、燃料流量35.8kg/s、地面比冲710s，长度6.9m、直径2.59m，测试样机总重18,144kg，具有多次重复启动能力，并完全适用于太空飞行推进使用。
结语
计划应用
NASA最初计划于1978年登陆火星，1981年开始在月面建设永久性基地，NERVA的发动机将作为把载荷从低地球轨道送至目标轨道，为地球和月球轨道上的空间站和月球基地运输补给的“太空拖车”使用。同时NERVA的发动机也计划作为替换土星五号第三级发动机的“S-N”（Saturn-Nuclear）方案使用，如果此方案得以成真，土星五号的近地轨道运载能力可以从现有的118吨提升至150吨。此外NASA还有很多载人深空探索任务、近地轨道与月球轨道重型载荷任务都计划使用NERVA发动机，再次不再赘述。
最终下马
虽然发动机、涡轮泵和液氢燃料罐罐从未实际装配到一起，但NERVA已被认为准备好在NASA今后的飞船中应用，但由于火星探索计划给国家预算带来的威胁在国会制造了一个小小的政治危机，再加上保护该计划的新墨西哥州参议员Clinton Anderson病重，强力支持人类太空探索计划的总统林登·约翰逊宣布放弃竞选连任。美国国家航空航天局的计划资金在1969年预算中被国会略微减少，关闭了土星火箭生产线，并在阿波罗17号后取消了阿波罗任务。没有了将NERVA运载到轨道上的土星五号火箭，NERVA计划的可行性大幅度降低，最终洛斯阿拉莫斯的课题组继续开发了几年Pewee核热引擎和反应堆，但还是于1972年解散。
迎来“第二春”
进入二十一世纪，火星探索计划再次被提到日程上来，美国总统特朗普在为NASA批准预算方案的时候提出要其研究2033年将人类送去火星的可行性。而在这个计划中，几十年前开发的核热推进器仍然是现如今接近实用的比冲最高的发动机。虽然当年高速度的研究已经停止，但是NASA从未彻底放弃对核热推进器的研究和开发，也许我们可以在不久的将来，看到人类依靠着核热推进器前往火星并成功返回。这种设想能否成真？让我们拭目以待。
参考文献
1. Robbins W. An historical perspective of the NERVA nuclear
rocket engine technology program[J]. Nerva Reactor, 1991.
2. Khatry J, Aydogan F. Modeling Loss-of-Flow Accidents and
Their Impact on Radiation Heat Transfer[J]. Science and Technology and Nuclear
Installations,2017,(2017-10-31), 2017, 2017(2):1-15.
3. Simmons C R. Performance of WANL supplied fuel elements
in PEWEE-1[J]. 1969.
4. Finseth J L. Rover nuclear rocket engine program: Overview
of rover engine tests[J]. Rover Reactors, 1991.
5. Nelson K, Simpson S, Marcille T T. Engine System Model
Development for Nuclear Thermal Propulsion[J]. Aiaa Journal, 2006.
6. Hickman R, Broadway J, Mireles O. Fabrication and Testing
of CERMET Fuel Materials for Nuclear Thermal Propulsion[C]// Aiaa/asme/sae/asee
Joint Propulsion Conference & Exhibit. 2012:423-424.
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）
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