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新一代航天器,45天到火星!盘点人类设想的核能交通工具

作者:世界风情画

来源:世界风情画(ID:finkeeper)

作者:杂杂妹

新一代航天器,45天到火星!盘点人类设想的核能交通工具

不得了,不得了!美国航天局科学家正在设想一种45天便可以抵达火星的火箭!

(不是要飞七个月吗?——妤妤姐)

现在不用了,美国科学家正在设计一种使用“原子能”的新一代火箭,能够在45天里飞过7000万千米(地-火最大距离4亿千米),抵达火星。

新一代航天器,45天到火星!盘点人类设想的核能交通工具

(难道是在火箭后面绑颗原子弹,将火箭崩到火星?——妤妤姐)

才不是呢!

不久前,NASA重新点燃了其核动力计划,目的是开发双峰核推进——一个由NTP和NEP元件组成的两部分系统,它可以在100天内到达火星。

作为NASA 2023年创新先进概念计划的一部分,NASA选择了核概念进行第一阶段开发。这种新型双峰核推进系统使用“波浪转子顶部循环”,可以将到达火星的运输时间缩短到仅45天。

核推进归结为两个概念,这两个概念都依赖于经过全面测试和验证的技术。

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对于核热推进(NTP),该循环包括核反应堆加热液氢(LH2)推进剂,将其转化为电离氢气(等离子体),然后通过喷嘴引导以产生推力。NASA已经进行了几次尝试来测试这种推进系统,包括1955年启动的漫游者计划。

和传统的液氧氧化液氢、酒精等化学能推进方式相比,核能推进方式具有效率更高、升力更大、单位距离使用推进剂更少的优势。故早在1950年代,科学家们就开始设想使用核能制造火箭,而现实中,人类还设想过其他的核能交通工具。

“核能火车”

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核动力列车的概念在1954年首次出现,这个想法是苏联交通部提出的。

“核能火车”设计理念是通过铅棒吸收放射源(铀、钚)等放出的中子,控制的衰变速度,从而控制放射源发出的热量,而这些热量则是用来加热水至水蒸气,再用水蒸气推动列车前进。

原因一半在于当时核反应堆的危险并不广为人知。此外,更重要的问题在于“核能火车”受制于当年的反应堆小型化技术限制,即便有着最初将原子弹投入实战经验的美国科学家投入研发后,也遇到了许多意想不到的难题——反应堆必须足够小,列车在颠簸乃至发生事故时,如何保证不发生放射源泄露?

故70多年过去,“核能火车”依然停滞在设计图上。

“核动力飞机”

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核动力飞机的设想由来已久,实际上早在上世纪五六十年代的冷战期间,美苏两国就已经把这种设想变成现实了,只是因为解决不好防护和重量的问题才没有大规模的应用,最有名的就是美国空军X-6 项目——按照美国空军和美国原子能委员会的最初设想,X-6 以 B-36 轰炸机为基础,安装一台通用电气 P-1 型核反应堆,其产生的热能将带动四台通用电气 J47 涡轮喷气发动机运转,从而为 X-6 提供飞行动力。

而苏联也提出了自己的设计方案, 即在图-95战略轰炸机上使用苏联自己的VVR-C核反应堆。采用4台核发动机,为了减轻核辐射对机组人员的影响,发动机分成上下两层,并排安装在飞机尾部的隔离舱里。导弹和炸弹则直接安装在悬挂架上,部署在机舱内部。其设计复杂程度远远高于NB-36H。凭借诸多成熟部件,许多人都认为这架图-119肯定会成为苏联乃至世界上第一架核动力飞机,但最后还是因为短期内无法解决反应堆的有效控制和散热问题而搁浅。1962年,苏联第一架核动力飞行平台图-119试飞成功,这架核动力飞机一共进行了60多次的飞行试验。

只不过,由于核动力飞机的空间不比核能火车头宽敞多少,故小型化、防泄露问题始终困扰着科学家们。毕竟核动力飞机的运行原理就是两种,要么通过燃油引擎将飞机送上天空,再由反应堆加热液态金属至气态,由喷气引擎将这些金属颗粒喷到空中,产生推力推动飞机前进;要么吸收空气进入反应堆旁的热交换器,将加热后的空气喷射到飞机后方,推动飞机前进。这两种方案都会制造严重的辐射污染。所以,核动力飞机也在1960年代下马了。

“核潜艇”

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世界上第一艘核潜艇是美国的“鹦鹉螺”号,是由美国科学家 海曼·乔治·里科弗积极倡议并研制和建造的,他被称为“核潜艇之父”。1946年,以里科弗为首的一批科学家开始研究舰艇用原子能反应堆也就是后来潜艇上广为使用的“舰载 压水反应堆 ”。第二年,里科弗向 美国海军 和政府建议制造 核动力潜艇 。1951年, 美国国会 终于通过了制造第一艘核潜艇的决议。 鹦鹉螺号核潜艇 于1952年6月开工制造,是在1954年1月24日开始首次试航。首次试航即显示了核潜艇的优越性,人们听不到 常规潜艇 那种轰隆隆的噪声,艇上操作人员甚至觉察不出与在水面上航行有何差别,“鹦鹉螺”号84小时潜航了1300千米,这个航程超过了以前任何一艘常规潜艇的最大航程10倍左右。

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一般来说,核潜艇中,反应堆在潜艇的中部,其原理是核燃料在反应堆内产生链式反应,释放出巨大的热量;利用主循环泵使载热剂(高压水)通过堆芯把热量带走;通过蒸汽发生器把水加热成蒸汽,供给汽轮机驱动推进器,推动潜艇航行。这里也显示了潜艇比起火车头的巨大优越性,空间大就是好。

目前,全世界有中国、美国、俄罗斯、英国、法国、印度拥有核潜艇。

“核动力轮船”

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核能发动机使用体积小、经久耐用的铀燃料,面世之后,轮船航程就能大大增加。1958年,美国的实验性商船"萨瓦纳"号首先采用核动力 。1959年,16000吨的苏联破冰船"列宁"号下水,在每年有四分之三冰封的新地岛与白令海之间的航线上行驶。后来又造了一艘姐妹船"北极"号。至于其他国家,由于公众担心放射性物质泄漏,造成祸害,因此商用核动力船未能推广。但是核动力的潜艇和航空母舰则越来越多,因为军舰最重要的是延长航程而不必补充燃料,尽量减少对岸上基地及供应船的依赖。

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此外,著名的核动力航母也是核动力船的一种,而且造价不菲。据悉一艘尼米兹级核动力航母,其建造成本就高达50亿美元。而新一代福特级核动力航母,其建造成本甚至高达100亿美元。至于中国,有消息称,将在2025年制造第一艘核动力航母。

回顾“核动力”交通工具的发展历程,我们可以知道,随着人类对物质微观结构的认识越来越深入,各种高能运输方式正在为我们的生活带来越来越便捷的变化。

参考资料:

1、New NASA Nuclear Rocket Plan Aims to Get to Mars in Just 45 Days(Science Alert)

2、中国首艘核动力航母,将于2025年开工建造?美媒披露是否属实?(52赫兹实验室)

3、Christian Sanders:Nuclear Powered Trains(Stanford University)

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