NTR是什么意思？ 第1页

NTR？这个我熟！

NTR，全称Nuclear thermal rocket（核热火箭）

核热火箭是什么意思呢？顾名思义，就是用核能加热工质来喷出做功的火箭。

要知道为什么需要建造NTR，你首先得知道，与在地面上行走不同，想要前往宇宙中的其他地方，你需要的是“速度的改变”而不是“航程”。根据齐奥尔科夫斯基的火箭方程

可以知道，想要让火箭的速度变化的更多，要么让火箭喷出的气的速度更快，要么让火箭带更多的燃料（也就是让 “满燃料时质量/空燃料时质量” 的这个数字更大）。可惜，对数函数是一个越增长，增长的越慢的曲线，所以要让火箭的速度变化的更多，最有效的办法是让喷气速度变大！

众所周知，温度是分子平均动能的表现。所以要让喷气速度变大，需要让喷出的气体的温度尽量的高，但是化学反应的能量密度是有限的，现有的氢氧火箭发动机燃烧室内的温度最高只能烧到3500k，喷气速度4900米每秒。要想做到更好，必须要使用原子中的能量。

固体堆芯核热火箭 Solid core NTR

Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications（NERVA）

这是唯一一种现实中造出来并且启动过的核热火箭。这种火箭的燃烧室中有许多长长的铀棒，时刻进行核裂变链式反应放出大量的热量，反应堆周围有可以打开和关闭的中子反射屏来调整反应堆的功率。当氢气流过燃料棒之间的时候，中子与氢原子相撞减速，让链式反应更加剧烈，放出的热量让氢气被加热到2800k左右，随后以9200米每秒的速度喷出。

哎，到这里肯定有人疑惑了，这温度比氢氧火箭的3500k还低几百k呢，怎么喷气速度还更高呢？记住：温度是分子平均动能的标志，而氢氧燃烧之后产生的是水，一个水分子比一个氢气分子重⑨倍，同样的动能下氢气分子平均上跑的比水分子快得多！同样的道理，这就是为什么虽然水和甲烷之类气体也能被反应堆加热到同样的温度，但是喷气速度要比氢气慢。

你肯定要想了，核燃料为什么非要做成一根棍子呢？确实，核燃料还可以被做成其他能让氢气更好受热的形状。

球床 Pebble Bed

顾名思义，球床堆就是用好多小燃料球而不是燃料棒进行核反应的反应堆。这种反应堆里，氢气从堆芯的周围穿过好多层小球流到中间，然后再从底下的喷口喷出去。这样的好处是不需要担心铀温度太高，变软然后断掉，所以温度可以达到更高，如果用氢气，喷气速度能到9500米每秒左右。

为了让燃料球之间有更多的空隙给氢气流过，让氢气受热更充分，同时让氢气推小球的压强小一些不至于把小球也一块喷出去，我们需要让这些球流动起来。在地面上有重力帮咱们干这件事，但是在太空，反应堆必须自己转起来产生离心力才行。所以球床核火箭的结构要比NERVA的结构复杂一些。

液体芯核热火箭Liquid coreNTR

liquid annular reactor system（LARS）

既然温度越高喷射的气体速度越快，但是温度太高堆芯会融化，那不如就用融化成液态的核燃料加热工质吧！

这就是液体堆芯核热火箭。

要用液态核燃料加热气体其实不难，让氢气穿过堆芯就成。但是问题是，太空中没有重力，这样一来，液态核燃料也会被一块喷出去，这就很不好了。

解决方案和球床堆一样：让反应堆转起来！这样一来，液态的核燃料就被甩的贴到圆筒形反应堆的内壁上了。把氢气从长管状反应堆的一端通进来，让它穿过堆芯，氢气就被加热到4000K左右，然后以16000—20000米每秒左右的高速从另一端的喷口喷出去。当然，这样难免会带出去一些核燃料小液滴，所以不建议你对着任何重要的东西启动这种火箭。

离心机式核热火箭 Centrifugal NTR

让氢气通过一根直直的管子可能受热不够充分，但是把氢气直接通入液态铀里面，这个加热效果肯定比前面的好！不过这样液态铀就更容易被和氢气一块喷出去了，所以堆芯要以极高的速度旋转，以分离氢气和其中夹带的铀滴和铀蒸汽，并让液体铀紧贴容器壁。这就是为什么这种NTR被叫做“离心机式NTR”

但是，铀蒸汽显然还是没法被很好的分离开。所以在长管状堆芯的最末端，需要加一个锥形“收口”来拦截铀滴，同时这个收口要比堆芯的其他部分冷一些，这样铀蒸汽就会在上面冷凝，然后冷凝的铀滴和拦截的铀滴会沿着收口被离心力甩回液体铀里面。

在前面加上一个简单的固体堆芯预热氢气之后，喷出的氢气温度可以达到5000K以上，喷出速度可以达到15000—18000米每秒。

液滴堆芯 Droplet Core

很显然，更大的接触面积代表更高的传热速率！在这种NTR设计里，液态铀被从堆芯最上方通入，并在狭管中与氢气混合，变成氢气中悬浮的铀喷雾。反应堆的上半部分外面有厚实的中子反射层以反射中子，使裂变反应剧烈进行加热铀滴与氢气。在反应堆的中部，内壁上的几排高压氢气喷嘴制造了一个高速旋转的氢气旋涡，这个旋涡把铀滴甩到反应堆的外侧，并在反应堆的最下方落入温度稍低的液态锂中，然后被一块泵到分离器中再次分离，液态铀再次被送到反应堆上方，液态锂再次被送到反应堆下方，如此循环。堆芯中的温度达到了6000k左右，在这个温度下，一部分氢分子被热解成了两个氢原子。还记得温度是粒子平均动能的体现吗？在这种情况下，喷出气体的平均速度能比同样温度喷出的氢气更高，达到19600米每秒！当然，这种反应堆也会不可避免的泄露一些铀。

气体堆芯核热火箭 Gas core NTR

开放循环 Open cycle

还能不能更热一点？可以！如果用已经蒸发成气体的核燃料加热氢气，温度可以高到6700k，然后以60000米每秒的高速喷出！

可是，怎么做到让反应堆装得下气态的核燃料还不把反应堆自己蒸发的？仔细观察上面的图，你就能发现氢气是从反应堆内表面的好多小孔出来的，在被加热喷出去之前，覆盖反应堆内表面的一层氢气能把温度超高的气态铀挤到中间去，和其他东西隔离开，不至于把反应堆自己也给变成气体。

你肯定也发现了，这种反应堆里的铀蒸汽会不可避免的被氢气带出去，所以这种核火箭虽然能让飞船飞得很快，启动的时候却得注意不要让喷口对着任何怕辐射的东西。

核灯泡Nuclear light bulb

开放循环太危险了，还是得找个方法把气体铀和要喷出去的东西隔离开。于是人们就想出来了核灯泡这种天才的设计。它里面有好多石英管，石英管里面装着用氖气气流挤到中间去不和其他东西接触的气态铀，石英管外面是要加热然后喷出去的氢气。这样一来，氢气能达到的温度变低了，氢气喷出去的速度也降低到了20000米每秒左右。不过至少不会有危险的辐射污染了！

核盐水火箭 Nuclear Salt Water Roket

现在，终于到了我们的重头戏——核盐水火箭！某些营销号经常把固体芯核热火箭说成“在屁股后面进行连续核爆推进”，但是实际上我们知道它们仅仅是用反应堆加热氢气喷出。但是，这个东西，是货真价实的“连续可控核爆推进”！燃料是分子数比例为100:2的水溶四氟化铀。当燃料被泵入燃烧室中时，周围厚重的中子反射层使得这团四氟化铀水溶液迅速开始进行链式反应，释放出巨大的能量！为了不让高温蒸发引擎本身，反应堆的内壁会喷出水来进行冷却。当四氟化铀中铀原子铀235占比为20%（意思是一百个四氟化铀分子里有二十个里面的铀是铀235）时，喷气速度就能达到70000米每秒左右（喷气速度达到了现如今的离子引擎的水平，但是推力远远高于离子引擎），而铀235占比为90%的时候喷气速度更是能达到惊人的4,725,000米每秒！

哎，看到这里，聪明的同学们肯定想到了：要是这些四氟化铀溶液在燃烧室里面就能自己超过临界质量然后发生核爆，那我们该怎么储存这东西呢？好问题！实际上，现在也没有想出来什么非常好的方法来储存它。一个方案是用能吸收中子的材料，比如碳化硼，制作很长很长的管子，然后把管子盘绕成一个圆柱体，然后在管子里面存储四氟化铀水溶液。当然，这些管子会很重，不过核盐水的密度也比较大，储罐干质比虽然低但是应该不会低的离谱。

但是，这种NTR可是公然把核燃料当工质喷出去的，所以辐射危害会相当的严重！如果未来核盐水火箭实用化了的话，可能需要精确调度每一艘飞船来确保每一个核盐水发动机后方都没有什么重要的东西，比如其他飞船，空间站，卫星或者有人居住的星球。

不过应该不是特别需要担心核盐水火箭会把危险的放射性尘埃撒的满太阳系都是。70000米每秒的喷气速度远超太阳系的逃逸速度，喷出去的放射性物质应该直接飞出太阳系了。

尘埃等离子裂变碎片反应堆 fission fragment rocket

当然，人们肯定还会想，能不能把裂变反应的能量全部用在加热裂变产物自己上，而不是加热一大堆其他工质然后喷出呢？这样一来，工质温度就更高了！

这就是尘埃等离子裂变碎片火箭

在这种反应堆中，裂变燃料被磨成100纳米左右直径的微小尘埃，然后被带上静电注入堆芯中，这样核燃料就可以在磁场中悬浮，而不会碰到反应堆的内壁。在尘埃发生裂变反应的时候，裂变产生的速度极高的更小的原子（“裂变碎片”）会直接从铀粉尘里冲出去同时在磁镜装置的诱导下从下方的喷管排出以产生推力，而速度较慢的裂变燃料粉尘会留在磁场里。由于几乎所有的裂变能量都用来加热工质，这种NTR的排气速度能达到惊人的5,170,000米每秒（0.017倍光速）！

为什么要把燃料磨成粉呢？一是因为这样裂变碎片更容易出来，二是因为这样燃料的比表面积非常大，就算单位体积产热功率（产热是因为还是有些裂变碎片没直接跑出去而是撞到了其他原子）非常高，辐射冷却也会让它的温度保持在熔点以下。如果铀粉尘过热蒸发了，四散的铀原子就难以被磁场约束住，有可能会和裂变碎片一块喷出去，这样平均喷气速度就降低了。所以反应堆功率再高也不能高到里面的燃料热到蒸发了。

反应堆本身不和燃料直接接触，但是燃料发出的热辐射也强到让反应堆需要冷却系统。

裂变碎片本身温度极高，高到变成了等离子体。所以我们可以在反应堆启动的时候把一部分等离子体通入磁流体发电机来发电，正好能给冷却系统以及这艘船本身供电。

不过呢，从这种火箭的工作原理也能看出来，它排出的气体和反应堆里面进行反应的燃料的密度是很低的，这就让它的推力很低，只有普通离子推进器的水平（但是喷气速度高多了）。

资料来源：Atomic Rockets Atomic Rockets - Atomic Rockets 如果英语够好可以去这里面看看