NERVA 核能火箭发动机
　　这个发动机当时被设计建造起初是用于完成火星使命，它是KIWI工程的承接者。

内华达州的NERVA
　　


RD-0410 俄罗斯核动力火箭发动机
　　在60s中期到80s早期这段时间里，RD-0410是一系列真实存在的火箭发动机，在当时是值得人们为之骄傲的事情。






所以说美国和俄罗斯都是有核动力火箭的制造技术储备的，只要有需要，完全可以立刻就拿来用！！



这就是核大国的底蕴

美国下一个火星车据报道就是采用核动力,这样就不会受火星沙尘的影响了。

我记得看的资料说，好奇号虽然是核动力的，但是和上文中的核动力发动机有区别，好奇号使用钚238做为核电池，真正意义的核动力发动机是装有核反应堆的，所以好奇号不能认定为真正意义上的核动力，如果认定为核动力的话，那么06年发射的新地平线号也是核动力的

嗯对，外行星探测中，由于空间探测器远离太阳，难以利用太阳电池发电，必须采用核电源。第一个核电池是在1959年1月16日由美国人制成的，它重1800克，在280天内可发出11.6度电。在此之后，核电池的发展颇快。1961年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号”，上面的无线电发报机就是由核电池供电的。1976年，美国的“海盗1号”、“海盗2号”两艘宇宙飞船先后在火星上着陆，在短短5个月中得到的火星情况，比以往人类历史上所积累的全部情况还要多，它们的工作电源也是核电池。因为火星表面温度的昼夜差超过100℃，如此巨大的温差，一般化学电池是无法工作的。美国在，“先驱者”10号、11号探测器，“旅行者”1号、2号探测器，木星和土星探测器中，都使用了同位素温差发电器作为电源。 苏联在1967～1982年共发射了24颗核动力卫星。卫星带有以浓缩铀 235为燃料的热离子反应堆，功率为5～10千瓦。它们在200多公里的低轨道上工作,完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离,并小型火箭推到大约1000公里的轨道,可运行600年。1978年1月24日,苏联“宇宙”954号核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落，未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内，造成严重污染。1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。 1982年8月30日，苏联发射宇宙1402号核动力海洋监视卫星，与同年10月2日发射的宇宙1412号，组成在同一轨道面上飞行成对。
美国
1955年，美国制定了SNAP（System for Nuclear Auxiliary Power）计划。1961年，发
射了装备有放射性同位素电池（SNAP-3B7）的宇宙飞行器。1965年，SNAP-10A空间核反应堆电源在 Snapshot 宇宙飞船上进行了试验。SNAP-
10A 是世界上第1个空间核反应堆电源，也是美国发射使用的惟一1个空间核反应堆电源，电功率500W，在空间运行了43天。到本世纪初，美国已在25次空间任务（例如“先驱号”、“伽利略”号、“卡西尼”号等）中使用了放射性同位素电源系统，最大的电功率达300W。
到20世纪末，美国执行过的、与研发空间核动力有关的重要计划还有：
(1)核火箭发动机研究计划（ROVER/NERVA）（1955～1973年），建造了20座全尺寸的、用于核火箭试验的固相核反应堆（包括颗粒床反应堆），对“NERVA”核火箭进行了除飞行试验之外的多种试验。颗粒床反应堆成为上世纪80年代初期“森林之风”（Timberwind）项目、也即后来的“空间核热推进”（SNTP）项目的基础。
(2)战略防御计划（SDI）（上世纪80年代中期至90年代初期），其中包括“SP-100”计划，即研制电功率100kW、寿命7～10年、重量3t的热电直接转换的空间核反应堆电源，应用方向是空间武器和核电推进。1993年，SP-100系统已达到详细设计和部件验证阶段，所有与反应堆有关的可行性问题都成功地得到解决；燃料元件的关键测试已经完成，制造工艺和性能证明是合格的；材料考验回路运行了数千小时而没有损坏，验证了传热系统材料和设计的适用性；电磁泵的磁性试验已经完成，设计已通过最终审定；控制系统软件已经被确认；热电转换材料的研发已达到设计水平。SP-100的研究成果为“空间探索计划”（SEI）的核电推进方案提供了强有力的技术支撑。
从2003年起，美国开始执行所谓“普罗米修斯”（Prometheus）计划。在技术层面上该计划包括研发新一代放射性同位素电源系统、以裂变核反应堆为基础的空间电源系统和先进的电推器、“木星冰复卫星轨道器”（JIMO-Jupter Icy MoonsObiter）3项内容。目标任务是研究带有核电推进系统的星际宇宙飞船以探测木星最大的天然卫星。美国对3种空间核反应堆电源系统进行了评价：液态金属冷却的核反应堆、热管冷却的反应堆,以及气体直接冷却的核反应堆。这3个系统都是以高浓铀为燃料的快堆，采取动态能量转换方式。
可以说，“普罗米修斯”计划是“SNAP”计划和“ROVER/NERVA”计划的综合与继续。
俄罗斯
俄罗斯虽然很早就成功研发和应用了钋-210放射性同位素电池，但发展重点却是空间核反应堆电源和核热推进。从1961年起，俄罗斯研发了4种型号的空间核反应堆电源系统：ROMASHKA转换器-反应堆、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。前两种为小型快堆，热电偶直接转换；后两种为超热中子堆，热离子直接转换。从1967年开始，俄罗斯先后把31个BUK型空间核反应堆电源成功应用在宇宙飞船的海上雷达观测上。1987年，两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源在Cosmos-1818和Cosmos-1867宇宙飞船上成功地进行了试验。俄罗斯的TOPAZ型热离子空间核反应堆电源被认为是世界上迄今为止最先进的空间核电源。
俄罗斯研发核推进的工作始于1950年。在1965年，决定建造冲力36kN、比冲大于900s的核火箭发动机RD-0410（11B91）。为了提供与核热推进系统实际运行工况一致的试验条件，专门建立了“IGR”高通量石墨脉冲堆、“IVG-I”实验反应堆和“IRGIT”实验性原型堆。在“IGR”反应堆上完成了核热推进系统燃料元件的动态试验，在“IVG-1”反应堆上完成了燃料组件的寿命考验，把“IRGIT”实验性原型堆运行到90MW的功率水平。俄罗斯在核热推进方面取得的重大成就在于，成功研制了核火箭发动机的燃料元件和燃料组件，建造出了RD-0410型核火箭发动机试验样机，在著名《贝加尔》试验台架上完成了全尺寸核火箭发动机反应堆的几个试验系列，验证了建造核火箭发动机以及双模式（电源/推进）空间核动力系统的可行性。
苏联解体后，俄罗斯政府在1998年发布了《俄宇航核动力发展构想》，强调要继续保持在空间核动力领域的国际领先地位，明确指出空间核动力主要用于发展基础军事技术，满足国防军用的需要。重点技术任务是建立科学技术基础，保证在2010年前后研制出电功率为 100kW 的空间核反应堆电源。远景目标是研制电功率500kW 或者功率更高的空间核反应堆电源，以及宇宙飞船的核“运输-电源舱”（TPM：Tramsport
PowerModule）。近几年来，俄罗斯空间核动力专家一直在进行“ISTC项目No.2120”，设计双模式（电源/推进）核火箭发动机系统和双模式核电推进系统，用于载人和载物的登陆火星的宇宙飞船。早在2003年，俄罗斯航空航天局就已经开始了“火星-XXI”研究计划。

卡西尼核能探测器

中国到目前为止似乎在空间核动力领域还没有什么动作，应该赶快加紧在技术领域进行技术研发，要有技术储备，否则只会被美国俄罗斯甩的越来越开。
对中国的航天领域感到好失望

核分裂热推进引擎
这是以核分裂作动力源的推进系统。其燃料主要是铀235或是钸239。就能量利用方式的不同可以分几个支系。以火箭系统的支系而言，是以核分裂燃料产生热，加热燃烧室中的工作流质（即推进剂）使其喷出。通常采用分子量最低的氢作为获得反作用力的工作流质以求得最高的喷气速度。美国在六零年代曾经进行过一项称之为「核子引擎火箭推进系统应用」的研究计画，（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications,NERVA）测试过这类核子火箭的可能性。
　　NERVA没有实际升空测试，而是把引擎放在地上，喷气口朝天喷射的大规模引擎测试计画。这个计画中建造了十数部引擎，密集测试了数十次。其中测试机组中的最高出力约为1130MW，比冲约为 850秒，推力从一万磅到二十五万磅的都有。最高记录曾以全功率连续运转28分钟。而且这些只是以60年代的技术作出来的测试用引擎，便有90年代最先进化学火箭两倍以上的比冲量。以这个测试用引擎的能力，约可使标准太空船达到 794m/sec的ΔV。而此种引擎的理论理论比冲值约在750秒到1200秒之间。
NERVA 研究计画后来在80年代美国政府删减火星登陆计画预算时中止，所有设备皆被弃置，但宝贵的测试资料与经验都留下来了。如果需要的话，这种引擎是能在最短时间发展出来的优秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比，这种核分裂火箭用的是已经成熟，相当实际的技术，只要投下经费，十年内便可建造出可靠的引擎装到太空船上。
另外一方面，即使NERVA 计画结束，大量理论方面的基础研究并未跟著停止。就核分裂热推进系统而言，理论上具有另一种较为优秀的引擎存在，即气态核心反应炉。这是相对于NERVA 计画中使用的固态（石墨）核心反应炉而言，以铀电浆与氢混和的气态炉心反应炉。其比冲潜力在5000秒~10000秒之间。这类引擎的困难与受控核融合炉有点类似，皆为炉心高温气体的处理相当麻烦。不过由于其并非欲进行核融合，气体温度仅约摄氏数万度，远较融合炉的数千万到上亿度为低，因而难度低了许多。若取理论平均值7000秒比冲来计算，则使用这类系统的标准太空船之ΔV可达到6538m/sec。但这类系统，包含固态炉心的 NERVA计画都有个相似的缺点，即其排气具有放射性，因此不能在地球上使用。在太空中则无妨，因放射性气体会很快扩散开来。核分裂系统的理想喷气值约为11200km/s。


美国NERVA核动力火箭引擎是加热液氢工质用于推进。
用核反应堆加热工质的好处是不用带质量非常大的氧化剂，只需要携带质量相对而言非常非常小的液氢。比冲相比化学火箭非常大，总的速度可以达到非常高。
1972年完成的NERVA-2引擎的功率达到5000MW，持续推力90吨。

　　该系统采用了小型快堆，堆芯含有37根燃料棒。燃料棒的材料是高浓铀（铀-235丰度为90％）与钼的合金。堆芯装载铀-235约为30kg。沿纵向移动的控制棒装在铍的侧反射层内。在核反应堆内，装有双回路的液态金属冷却系统，采用低共熔钠-钾合金作为冷却剂。一回路冷却剂在核反应堆中被加热到973K，并传输到外罩为圆桶型的热电发生器。热电发生器装在辐射屏蔽层后的辐射散热器的下面。热电发生器的内腔是密封的并充有惰性气体。
　　电功率/kW 3
　　热功率/kW 100
　　铀-235装载量/kg 30
　　质量/kg 930
　　比电功率 25W/kg


外型


待组装的堆芯

系统的二回路冷却剂将无用的热量释放到辐射散热器。在辐射散热器入口处的最高温度达到623K。热电发生器有两个独立的部分，其中主要部分是给飞船上的有效载荷供电，辅助部分是为传导型的电磁泵供电。电磁泵通过两条回路来输送冷却剂。热电发生器采用两级热电池，第一级使用锗-硅合金。反应堆的热功率限于100kW。核电系统的最高电功率约3kW。在BUK型系统的运行过程中，其运行寿命达4400小时。
　　BUK型核电源系统的核安全是通过基于不同运行原理的两套系统来保证的。其主要系统建造在飞船里，具有将核电装置抛入长期放置轨道的能力。这个轨道是一个高度在850km以上的近于圆周的轨道。系统在该轨道上的滞留时间足以使反应堆的裂变产物衰变到天然放射性水平。第2个系统是一个备用系统，其功能是在主要系统失效的情况下，使得含裂变产物及带有诱发活性物质的燃料元件，在地球大气上层实现空气动力学分散。这个系统可以在运行轨道上或者在含有反应堆的物体重返地球时，把燃料组件从反应堆里弹射出来。在重返地球过程中所发生的空气动力学加热、热破坏、熔融、蒸发、氧化等过程，可以保证把燃料分散成尺寸很小的颗粒，使得这些颗粒在地球表面的沉降，不会增加对公众和环境的辐射而超出规定的允许水平。在运行过程中，备用安全系统包含在BUK型核反应堆电源系统中。
这就是BUK服务的海洋侦察卫星УС-А，当时全部以“宇宙-XXX”作为代号，注意看前部为仪器和天线，后半部中间是反应堆电源系统

宇宙系列



苏联科研人员正在组装


科研人员在调试无线电系统

当然，马有失蹄，卫星也有栽的时候。
　　1978年 1月 24日凌晨4点多钟，突然一个巨大的熊熊燃烧的火球在加拿大的黄刀市上空降下，转眼之间，它消失在冰雪覆盖的苍茫大地上。这个“怪物”就是苏联 1977年9月18日发射的宇宙-954号。宇宙-954号重达5吨，载有核燃料45公斤。
　　为了消除放射性可能造成的污染，加拿大国防部和原子能控制局当天下午就派出军队和科研人员前去调查。根据计算机运算结果，“宇宙-954号”卫星重新进入大气层时曾经飞越黄刀市上空。穿过大奴湖，朝着东北方向的贝克湖坠落。这是一条长800公里，宽50公里的狭长冰川雪原，加拿大科学家要在此进行搜索，是十分艰苦的。搜索工作分两个阶段进行。第一阶段从1月24日到4月中旬，加拿大空军派出了3架装有放射物质测量仪的运输机进行分段空中搜索。1月30日，搜索队员在飞机的指引下，冒着严寒在大奴湖东端找到了这个卫星的残骸，它以每小时200个伦琴的强度污染着周围环境。对此，加拿大原子能控制局现有的原子防护铅桶都不能保证有效的保护，他们赶制了一个特殊的容器。2月4日上午，在国防部长丹森的监督下，用直升机把一个500公斤重的特制铅桶运到大奴湖，人们使用长柄钳子小心翼翼地把那个可怕的“怪物”装入铅桶中。
　　搜索工作的第二阶段从7月中旬至10月中旬结束。搜索队在西北区的冻土带、沼泽地和灌木丛以及一些中小城镇和居民区，搜索那种细小的、肉眼看不见的放射性微粒（核反应堆的裂变物质）。10月18日，加拿大原子能控制局宣布，找到了卫星残骸75公斤，大小不等的放射性碎片约3000个。为了找寻这颗卫星的残骸，加拿大花费了1480万加元。根据联合国1972年通过的《空间实体造成损失的国际责任公约》规定，发射国对受害地区应负赔偿的绝对责任。所以，苏联才向加拿大赔偿部分损失。1980年11月21日，加拿大外长马克·麦圭根宣布：苏联将向加拿大赔偿300万加元，以补偿苏联核动力卫星在加拿大坠毁所造成的损失。
　　不过这还不是最后一次。1983年1月“宇宙”1402号核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。
　　所以，核动力不是好玩的，股疯机要慎重啊！~
坠落加拿大的宇宙954残骸

被加拿大搜索到的卫星部件，带有强放射性

苏联除了上述2种热电偶转换反应堆外，也研制了热离子反应堆发电系统，这就是著名的TOPAZ核反应堆电源。TOPAZ，俄文Топаз意为“黄玉”，TOPAZ核反应堆电源于1970年研制成功。它采用热中子堆，钠钾液态金属强迫循环传热，热离子能量转换。前苏联于1987年分别发射了载有“TOPAZ-1”反应堆电源的宇宙-1818和宇宙-1867航天器。1987年2月2日前苏联发射了第1颗“托帕斯-1”空间核反应堆电源的试验卫星等离子体-A(宇宙-1818)。它的在轨有效寿命要求为45天，而实际在轨工作时间(关闭核反应堆的时间是1987年6月24日)为143天。1987年7月10日前苏联发射了第2颗载有“托帕斯-1”空间核反应堆电源的试验卫星等离子体-A(宇宙-1867)，它的在轨工作时间接近1年(于1988年6月17日核反应堆停止工作)。其轨道高度为800km，它的电功率为7kW(自身消耗2kW)，热电转换效率为5.8%，总质量为1t。这两次的空间飞行试验全面考核了空间热离子核反应堆电源，证明了其可靠性，同时验证了其可与电火箭共同工作，电火箭比冲达到1600s（工质为氙）。
日文的TOPAZ结构图

位于航天博物馆的TOPAZ-1静态展示


采用TOPAZ-1为电源的等离子-A卫星，宇宙1867号

组装现场



然而苏联人并未满足，因为TOPAZ-1采用的是多节热离子转换器，而效率上使用单节比多节更具优势，因此苏联科学家们又研制了使用单节热离子转换器的TOPAZ-2反应堆。单节热离子燃料元件发射极放置核燃料芯块的空腔可以自由进出。因此在研发阶段，利用适当功率水平的专用电加热器替代燃料芯块，插入发射极的空腔，可以进行热离子燃料元件、反应堆和空间核电源系统的全尺寸的热试验。当制造核电源系统时，利用类似的技术可以进行全尺寸的电功率验证试验，并获得该系统的输出特性。在空间核电源系统地面研发和运行阶段，单节热离子燃料元件的这种特点，在保证核电源系统的核与辐射安全方面也是有优势的，因为它可以选择最方便的时间往反应堆中装载核燃料，并且在装料之前完成大部份所需要进行的检测工作。
　　TOPAZ-2型空间核反应堆电源通过了在宇宙飞船飞行试验之前所要求的全周期的地面试验，包括综合电热测试、运输和冲击测试、低温室液氮冷却测试，以及最终的核功率测试。结果证明，该系统的性能参数与设计要求是一致的，而1.5年的寿命具有增长到3年的可能性。
这就是TOPAZ-2全貌

单节热离子燃料元件是TOPAZ-2型空间核反应堆电源的最核心、最关键部件，这是该元件的结构设计图

单节热离子燃料元件实物

TOPAZ-2顶部特写

测试中的反应堆部件

就在TOPAZ-2已经取得了巨大成就，领先于美欧的时候，苏联解体的悲剧发生了！
　　不过技术的领先仍然是赖以生存的法宝。是金子总会发光，现在需要的只是机会。
　　但机会会来吗？
　　TOPAZ-2的主要数据

原子的裂变释放的是巨大的能量，而国家的裂变带来的则是灾难性的后果，照时下流行的话说：杯具了！
　　而杯具的根源是多方面的，这里面有很复杂和很深刻的原因，如果细究起来，只怕又得跟楼猪一样重新开帖讨论了。作为暴力美学爱好者的我们，只能撇开不表。
　　1991年以后，垂涎于苏联空间核反应堆技术的美国终于有了机会，他们欣喜若狂地以1300万美元的价格购买了俄罗斯的6座TOPAZ-2反应堆，还成立了一家合资企业，以合作方式将TOPAZ-2的技术搞到了手。此时的俄罗斯已经完全没有了昔日的豪情，为了生存，不得不卖身。。。
　　虽然俄罗斯想保住最后的一点贞洁，他们没有卖关键的单节热离子燃料元件，可是美国人也不是吃素的，你连身都卖了，还怕没人来打洞？
　　在1991～1994年期间，美国引进了6座不含核燃料的TOPAZ-2型空间核反应堆电源试验样机。在试验的基础上，设计了装备有TOPAZ-2型空间核反应堆电源和不同形式电推进器的NEPSTP实验宇宙飞船，以及具有40kW功率水平的SPACE-R热离子空间核反应堆电源系统。
　　从此，空间核反应堆不再是俄罗斯人的天下。
苏联最秘密的单节燃料元件，唯一没有卖给美国

TOPAZ-2截面图

TOPAZ-2总体图



新一代核火箭发动机设计

无论如何，冷战的阴影已经过去，新世纪的曙光到来，国际合作的势头无法阻挡。以俄罗斯新一代核火箭发动机为基础的双模式核火箭发动机在未来国际合作的星空探索中又一次得到重视。
　　在国际科学技术中心（MNTTS）支持的№2120（2002～2004）项目中，俄罗斯专家研发了以新一代核火箭发动机为基础的双模式核火箭发动机系统设计方案。该设计不仅能保证产生68kN的较大推力，还能供给25kW的有效电功率。把4个这样的系统组合在一起，可以完全解决载人火星考察宇宙飞船的推进动力和电能供应问题。
　　在这个双模式核火箭发动机系统中，核反应堆堆芯的裂变热能加热推进工质氢，并借助喷管组将热能转变为推进动力。同时，通过其他工质(氙混合气体)带出堆芯的热量，并在布雷顿循环中利用动态转换方式发出电能。
　　经过理论计算和设计分析验证证明，推力为68kN、比冲不低于900s、推力-质量比为1.2kgs/kg的双模式核火箭发动机是可以研制成的。根据对质量尺寸性能的评估，作为宇宙飞船运输-电源舱的4个双模式核火箭发动机，可以保证携带90t左右的有效载荷一次登陆火星。而双模式核火箭发动机本身则通过载重能力为50t的运载工具送至安装轨道。
　　这种电源/推进系统设计从实施方面看是最成熟的。缺点是推力较小，完成空间任务需要较长的时间，但是人类探索星空的脚步不会停歇。
　　是金子总会发光。

俄罗斯双模式核火箭发动机的概貌

布雷顿循环双回路热电转换系统

双模式核火箭发动机单机的主要性能参数

双模式热离子核反应堆电源和电推进器的空间平台

苏联时代的核动力推进的巡航导弹

美俄合作的等离子核电推进器，暴力而美学



前苏联组装COSMOS卫星

前苏联COSMOS 389核动力侦察卫星

前苏联COSMOS 954核动力卫星示意图

前苏联COSMOS 2430核动力预警卫星

前苏联COSMOS（“宇宙”）卫星的早期核动力型号

前苏联RORSAT海洋探测卫星