科學家用核動力火箭，飛到火星只需兩個星期

眾所周知，火箭要飛上天，就要突破地球重力達到宇宙第二速度（11.2km/s）。也就是牛頓第三定律的反作用力要超過地球對火箭的重力，航天上稱為「火箭推力」。火箭就是利用發動機燃料在燃燒時產生的高速熱氣流（工質）向後使力，從而形成一股推力，根據「牛頓第三定律」，這股推力大於或等於火箭重力時，火箭就飛起來了。

在1903年，人類宇航史的理論奠基人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基推導出火箭速度公式：V＝ω·Ln（Mo/Mk）（ω是發動機噴氣速度，Ln是對數表達式，Mo和Mk分別是火箭最初質量和發動機熄火時的質量，Mo/Mk就是火箭質量比）。由式中可以得知，火箭的速度決定於火箭推力和質量。

由於火箭都是自帶推進劑和氧化劑，這讓它變得更加沉重。比如長徵五號火箭，它的起飛質量重達879噸，運載能力最多只有25噸，其餘大部分是燃料。有人計算一臺火箭的燃料約佔總質量的15/16。

於是給火箭「減負」成了航天科學重要科研課題之一。

給火箭「減負」就是減輕它的質量，可以從兩方面入手，一是改進火箭材料，二是使用能量密度更高的推進劑。

這裡就簡單介紹一下火箭的主要材料。

輕便耐用的材料是讓火箭提速的原因之一，火箭的構成部分不同，材料也不同。現代運載火箭主要由「頭部整流罩」、「彈體」及「級段發動機」等組成。

火箭在空中快速飛行時，由於空氣摩擦力，頭整流罩部溫度可達到8000～12000℃，所以頭部的材料需以抗高溫及強度為主。科研人員先後試用過銅製金屬、高矽氧複合纖維酚醛樹脂、石墨纖維多向纖維碳材料等等來做頭部材料，這些材料雖能抗高溫，但是火箭非常沉重，需要更多的燃料去推動。在70年代已經使用了耐燒蝕性和抗損傷性的碳纖維織物增強材料，這種材料的高強一級碳纖維織物的力學指標有200g/㎡，既提高了火箭頭部的強度和剛度，又減輕了火箭質量。

居中的彈體主要由儀器艙、箱體、過濾段及尾段構成，主要作用是支撐結構，雖然不需要頭部整流罩那樣耐高溫，但也需一定的強度。目前常用的是鋁、銅、鎂系，或鋁、鋅、鎂系等高強度鋁合金材料，然後製作成半硬殼式或蜂窩結構。但這樣的外殼非常薄，只有0.8mm左右，大約是雞蛋殼的厚度。這種材料具有強度高、質量輕、耐腐蝕、成本低和綜合性能高的優勢，而成為了火箭外箱和理想選擇。它的內箱體則採用鈦合金或高強度的鋼製成。

底部的發動機起的是推力作用，由於燃料在室內燃燒溫度高達3000℃以上，任何材料都會在這種嚴酷的環境中軟化至熔化，唯一的辦法就是使燃燒室冷卻以保障材料強度。燃燒室按冷卻方式可分為「再生冷卻式」、「輻射冷卻式」和「燒蝕冷卻式」三種，這裡就以簡單環保的「燒蝕性冷卻式」為例說說它的材料：它的內壁是用高矽氧纖維增強樹脂為燒蝕材料，外部的承力殼體是鈦合金，噴管用石墨鑲塊或碳纖維增強材料加強抗燒蝕力。

按燃料來分，可分為液體火箭和固體火箭。液體火箭常用的燃燒劑有液氫、偏二甲肼和煤油等，氧化劑有液氧和四氧化二氮等。原理是燃料燃燒時產生的高溫高壓燃氣被加速為超音速氣流向後噴出而產生推力；固體火箭是以固體物質（常用的有HTPB和NEPE）產生的化學能轉化為熱能，然後轉化為動能為推進的火箭。由於固體推進劑的能量密度高、推力大及結構簡單等優勢，在二戰後得到了迅速發展。

除了以上液體燃料和固體推進劑，科學家計劃在未來使用一種能量密度更高的推進劑——核動力。據NASA有關資料顯示：核燃料鈾U的能量密度是常用的推進劑肼（N2H4）的400萬倍，能讓火箭提速2～3倍。

什麼是能量密度？核動力火箭的能量密度有多高？

能量密度就是單位體積內包含的能量，單位是焦耳/立方米（J/m³），兆焦/立方米（MJ/m³）等。比如太陽的能量密度是6.45億MJ/kg；鈾-235的核裂變能量密度是8825萬MJ/kg；硝基甲烷（CH2NO2）是11.3MJ/kg；鋰離子電池是0.72MJ/kg。

鈾的核裂變

物理學上，超過1101J/m³的物質就是高能量密度。以鈾為例，那麼鈾-235的密度是19.05g/cm³，1立方米就有19050kg，每立方米鈾-235的能量密度是1.6723375億兆焦。

核能量如此驚人，如果將它用在火箭上，就像是裝上了一個小太陽，使火箭的推力大幅提升，同時減輕了火箭質量。與成百上千噸的液態燃料相比，攜帶小量鈾簡直就是「輕如鴻毛」。

核動力火箭飛得有多快，有多遠？

如果要探索月球、火星以及浩瀚的宇宙，就目前的液態或化學火箭速度遠遠不夠。就算飛到5500萬km外的火星，最快也要6個月左右才能到達。如果是載人航天，太空人是無法承受這麼長時間宇宙輻射的，因此縮短航天時間是太空人安全健康的重要保障。我們亟待研製推力更大與射程更遠的核動力火箭。

科學家為未來航天設計了兩種主要類型的核動力火箭系統：核熱推進和核電推進。

核動力火箭除了能量密度高，一個顯著優勢是比衝大，比衝越大，發動機效率越高，射程越遠。

一、核熱火箭

核熱火箭的原理與液體火箭原理相似，不同的是液體燃料被小型核裂變反應堆所取代。它是利用氫氣做工質和冷卻劑，經過高溫的核反應堆後被加熱，再由收縮擴張噴管以超音速的速度噴出，來作為推力。

裂變反應取決於核裂變反應時產生的中子數與非裂變吸收及洩露消失的中子數兩者之間的平衡。

反應堆裡的控制棒用來控制中子流，當反應堆裡的中子數與上一次中子數比值（Keff）＞1時，為啟動或升功率過程，是超臨界狀態；比值＝1時，反應堆正在穩定運行，為臨界狀態；那麼比值＜1時，反應堆正在停止或降功率，為次臨界狀態。

核熱火箭工作原理

核熱火箭具有比衝大、推力大、可多次啟動、自身質量輕、結構簡單等優勢，沒有液、固體火箭的多級與繁複的程序。目前最快的液氫火箭比衝是450秒，最大加速度是10km/s，想再快些就不能了。如果是核熱火箭，比衝可有1000秒，加速度可有22km/s。據NASA的科學家估算，核熱火箭的推進效率是化學推進劑的兩倍以上，到達火星的時長會縮短20%～25%，火星探測器飛到火星最快大約是4～5個月左右。

二、核電火箭

核電火箭的原理就是用大功率核裂變反應堆發電，使電推進器產生推力。核電火箭的能量比核熱火箭還要大，「質量效率（相同的質量推力更大）大約是後者的3倍」，可為多個獨立的推進系統提供電力以產生更大的推力。

不過目前為止，還沒有核電火箭的建造，只有美國和俄羅斯正在研發。

另外，除了核熱和核電火箭，未來還有「混合核熱與核電火箭」，它利用核熱能與核電能之間的轉換在星際間航行；有「核裂變碎片火箭」，它利用核裂變時釋放的能量碎片高速逃逸產生推力，美國的哈普林等一些科學家設計了一種以放射性元素「鈽」或「鋂」為燃料的石墨結構的核裂變火箭，可讓火箭速率提高到光速的6%；還有「核脈衝火箭」和「核衝壓火箭」等等，這裡不一一列舉了。

核輻射問題

儘管核動力火箭原理簡單，能量巨大，但目前仍然沒有應用在太空航天，因為它存在一些亟待解決的問題。

1979年美國三裡島核洩漏事故、1986年蘇聯的車諾比核事故、2011年日本的福島核事故...一例例慘重的核事故使科學家放緩了核火箭的研製腳步，核火箭自然也逃不過核輻射的隱患。太空人乘坐一次核火箭可讓肌肉量減少30%，骨密度會下降。長時間的核火箭航天會對太空人的身體健康帶來嚴重傷害。

不過科學家研究出來一種新型核燃料——鋂，它的裂變反應容易得多，只需1%鈾的質量就能完成裂變的臨界狀態，並且可持續裂變。這讓太空航天既節省了資源，又保障了太空人的健康，還節省了時間。目前的液體火箭到達火星需要6～10個月那麼久，那麼鋂燃料的核動力火箭飛到火星只需兩個星期左右。這種火箭預計2020年前後可研製成功。

總之，人類在探索太空和宇宙之路上會不斷推陳出新，讓太空飛行器技術日趨成熟，速度日益增快，性能更為安全可靠！

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中國首個火星探測器「天問一號」明天就要搭載「長徵五號」火箭發射了，預祝髮射成功，讓我們靜待佳音！我國的太空探索定會越走越遠！