核能推進(jìn)航天器新方法

陳國云，魏志勇，方美華，張紫霞

（1.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016；2.南昌大學(xué) 物理系，南昌 330031）

1 前言

航天事業(yè)的飛速發(fā)展使人類探索太空的目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向太陽系中的深空。隨著探測目標(biāo)離太陽的距離越來越遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的依靠化學(xué)能（燃燒化學(xué)推進(jìn)劑）和太陽能（通過收集太陽輻射的能量）來推進(jìn)航天器飛行將逐漸顯現(xiàn)其弊端。核能用于航天有著巨大的優(yōu)勢和潛力，將成為更適合航天推進(jìn)的能源。單位質(zhì)量的重核裂變釋放的能量是等量化學(xué)燃料的數(shù)百萬倍，因而利用核能推動(dòng)火箭和航天器飛行可以大大增加航天器飛行的距離。

然而，當(dāng)今核能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用并不普及，目前能夠?qū)崿F(xiàn)可控并投入使用的只有核裂變能。但核裂變能在釋放巨大能量的同時(shí)也伴隨著較強(qiáng)的核輻射，這不但會(huì)損害載人飛船中航天員的健康，即使在非載人時(shí)也會(huì)損壞航天器中的器件。而核聚變能是一種清潔的能源，釋放的有害射線少，但是核聚變能的應(yīng)用必須要解決其可控性問題。本文首先概述了核裂變和核聚變?cè)诤教祛I(lǐng)域的應(yīng)用，然后提出了一種新的核聚變能的空間應(yīng)用方法。此方法和核爆發(fā)電原理相似,用可控的核裂變點(diǎn)火來誘發(fā)核聚變，使之釋放能量推進(jìn)航天器。具體是讓核聚變材料在裂變形成的高溫、高密度條件下發(fā)生核聚變反應(yīng)，再用熱載體儲(chǔ)存聚變釋放的能量；然后通過選擇合適的調(diào)制介質(zhì)來調(diào)制輻射場和壓力場，限定邊界條件，最終達(dá)到直接推進(jìn)航天器的目的。此外本文對(duì)核聚變能空間應(yīng)用中產(chǎn)生的中子和γ射線的防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了討論。

2 核能是一種新型航天推進(jìn)能源

2.1 核能是一種巨大的能源

核能包括核裂變能和核聚變能。核裂變能是指某些重核（如235U）發(fā)生裂變反應(yīng)后產(chǎn)生較輕核而釋放出的能量。由于原子核的質(zhì)量總是低于它所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，因而重核的裂變必然有質(zhì)量虧損。根據(jù)Einstein的質(zhì)能方程E=mc2，虧損部分的質(zhì)量將轉(zhuǎn)化成能量釋放出來。計(jì)算結(jié)果表明，1 kg的煤燃燒釋放的能量約為2.88×107J，而1 kg的235U裂變釋放的能量可達(dá)7.02×1013J，因此1 kg的235U裂變釋放的能量相當(dāng)于2.437×106kg的煤所產(chǎn)生的能量！核聚變能是兩個(gè)輕核聚合在一起，由于生成核的質(zhì)量比原始兩核子的質(zhì)量小而釋放出的能量。核聚變過程蘊(yùn)藏著巨大的、可供利用的能量，具有廣闊的開發(fā)前景。1952年11月1日，美國首次以液態(tài)氘作燃料在地面上進(jìn)行氘-氘聚變的核爆炸，釋放出了4.19×1016J的能量，相當(dāng)于107t的TNT當(dāng)量炸藥的能量。如果用這些能量以 35%的效率轉(zhuǎn)化為電能，相當(dāng)于1 GW標(biāo)準(zhǔn)電站運(yùn)行半年。就具體的核反應(yīng)來說，2個(gè)輕核和2個(gè)中子結(jié)合成氦核反應(yīng)中釋放的能量是28.2 MeV，若讓4個(gè)氘核經(jīng)過一系列聚變反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為2個(gè)氦核，將放出44.7 MeV的能量，平均每原子質(zhì)量單位氘原料的能量產(chǎn)額大約是6 MeV。這個(gè)數(shù)據(jù)比燃燒每個(gè)原子質(zhì)量單位235U放出的能量數(shù)值（190/235=0.808 5 MeV）高得多。

2.2 核能提供航天器電源

電源系統(tǒng)是航天器的核心。目前，航天器上大多采用太陽能電池和化學(xué)電池提供能源。從圖1可以看出，在不同條件下，這些空間電源適用范圍是不同的，因此對(duì)于長期深空探測任務(wù)，應(yīng)用太陽能或者核能源系統(tǒng)勢在必行。從圖2還可以知道，太陽系中各外行星與太陽距離越遠(yuǎn)，它們接受到的太陽輻射光強(qiáng)越低：離地球最近的火星上的太陽光強(qiáng)為地球的一半，木星處只有地球的約4%，而土星等行星處則近乎為零。因此未來的深空探測中，使用核能電源可能將成為唯一的出路。

圖 1 空間電源及其應(yīng)用范圍Fig.1 Various kinds of space powers

圖 2 外行星的太陽光強(qiáng)度Fig.2 Solar irradiance in solar system

2.3 核能推進(jìn)航天器

推進(jìn)單元是航天器的另一重要組成部分。進(jìn)入21世紀(jì)，人類利用和探索宇宙空間的范圍和深度大大拓展。一方面，傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的方法因推進(jìn)劑能量密度低，需消耗大量燃料且不能將航天器加速到足夠快的速度，其效費(fèi)比低、系統(tǒng)可靠性低，目前單純依靠化學(xué)推進(jìn)來提高噴氣速度從而加速航天器的方法已經(jīng)接近極限，無法滿足未來空間探索的需要，必將被新的推進(jìn)方法所取代。另一方面，新世紀(jì)的核動(dòng)力載人飛船，因要攜帶航天員的生活用品和工作設(shè)備，必然要進(jìn)一步提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。發(fā)展先進(jìn)的、大推力、高比沖且可用于單級(jí)入軌的大型運(yùn)載系統(tǒng)，核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將成為一個(gè)極為重要的途徑。

3 核裂變能推進(jìn)航天器技術(shù)

核裂變能推進(jìn)航天器技術(shù)主要包括太空核電源和太空核推進(jìn)。

3.1 太空核電源

太空核電源是利用核反應(yīng)堆或者放射性同位素產(chǎn)生的熱，通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變?yōu)殡娔?，向火箭或航天器提供所需的電力。太空核電源分為放射性同位素電源和反?yīng)堆電源兩類，其中熱能轉(zhuǎn)換成電能又有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式又包括溫差（熱電偶）轉(zhuǎn)換和熱離子轉(zhuǎn)換。溫差發(fā)電是利用熱電偶不同金屬的溫度梯度效應(yīng)來產(chǎn)生電流，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、工作壽命長，但其輸出功率小、轉(zhuǎn)換效率低（3%～7%），通常與放射性同位素?zé)嵩礃?gòu)成目前應(yīng)用最廣的太空核電源——放射性同位素溫差發(fā)電器（圖 3）。熱離子發(fā)電是利用熱能將二極管的發(fā)射極加熱到1 500 ℃以上發(fā)射電子，由集電極收集，通過外接負(fù)載回到發(fā)射極形成電流。熱離子發(fā)電適合于大功率輸出，轉(zhuǎn)換效率高（10%～20%），通常與反應(yīng)堆熱源聯(lián)合使用構(gòu)成反應(yīng)堆-熱離子發(fā)電器。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式是用熱能加熱流體工質(zhì)使工質(zhì)在高溫高壓下膨脹，推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換雖適合大功率發(fā)電，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又有活動(dòng)部件，需要潤滑和維護(hù)，目前處于研究開發(fā)階段。太空核電源的顯著優(yōu)點(diǎn)是功率大、壽命長、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

圖 3 通用型熱源放射性同位素溫差發(fā)電器Fig.3 General purpose heat source-radioisotope the rmoelectric generator(GPHS-RTG)

3.1.1 國外的太空核電源

目前，僅美國和俄羅斯（前蘇聯(lián)）開發(fā)并使用了太空核電源。從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)末，美國共有43臺(tái)放射性同位素溫差發(fā)電器用于導(dǎo)航、通信和氣象等衛(wèi)星，前蘇聯(lián)亦從20世紀(jì)60年代起到1989年先后發(fā)射了35個(gè)反應(yīng)堆用做宇宙軍事偵察衛(wèi)星電源。目前美國和俄羅斯正在研制大功率、長壽命的反應(yīng)堆熱離子發(fā)電器用作航天器及電推進(jìn)系統(tǒng)的電源。此外，德國和日本也在發(fā)展本國的太空核電源。日本原子能研究所設(shè)計(jì)了世界首座可完全自動(dòng)運(yùn)行的固有安全空間快堆RAPID-L[1]，它能在月球、火星表面上的探測活動(dòng)提供電力，盡管沒有控制棒，但包含新穎的反應(yīng)堆控制系統(tǒng)[2]。

總體上說，當(dāng)今太空核電源正朝著大功率（數(shù)百至數(shù)千kW）、長壽命（10～15年）方向發(fā)展，擬采用熱離子和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換相結(jié)合的熱電發(fā)電機(jī)，盡最大可能提高太空核電源的轉(zhuǎn)換效率。

3.1.2 我國的太空核電源

目前我國絕大多數(shù)航天器使用的是太陽能電源。21世紀(jì)我國的航天活動(dòng)已從近地空間向深空探測發(fā)展。以月球探測工程為例，一期是研制并發(fā)射探月衛(wèi)星。由于衛(wèi)星在繞月運(yùn)行期間能周期地接受太陽光，因而可繼續(xù)利用太陽能電池供電。探月工程二期將發(fā)射月球車，它白天仍可利用太陽能供電，夜間不工作。由于月球上黑夜溫度極低（-180℃），時(shí)間又很長（＞300 h），所以月球車必須采取主動(dòng)加熱保溫措施以防凍壞，其所需電能只能由核能轉(zhuǎn)化而來。太空核電源（特別是放射性同位素溫差發(fā)電器）原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)成熟、使用方便，其可行性遠(yuǎn)勝過太陽能電站，是月球車夜用電源的理想選擇。未來我國還將開展對(duì)火星及更遠(yuǎn)天體的深空探測，隨著探測器距離太陽越來越遠(yuǎn)，太陽能電池的發(fā)電效能已大大降低甚至完全失去作用，使用核能電源將是唯一出路。

我國是最早掌握核技術(shù)的國家之一，擁有高水平的核工業(yè)，為開發(fā)研制太空核電源奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)條件[3]。

3.2 太空核推進(jìn)技術(shù)

3.2.1 傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)和新型推進(jìn)方法

傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)是利用化學(xué)能將航天器送入預(yù)定空間軌道和實(shí)現(xiàn)航天器在軌機(jī)動(dòng)的技術(shù)，主要是指液體和固體化學(xué)推進(jìn)。隨著人類利用和探索宇宙空間的范圍和深度的大大拓展，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)已經(jīng)無法滿足未來空間探索的需要，世界各國開始競相研究各種新型推進(jìn)技術(shù)，如激光推進(jìn)、微波推進(jìn)、電推進(jìn)、核能推進(jìn)、光壓推進(jìn)和反物質(zhì)推進(jìn)等。太空核推進(jìn)是利用核裂變反應(yīng)釋放出的能量，直接加熱工作介質(zhì)，使其通過噴管膨脹后高速噴出，產(chǎn)生反作用推力；或者通過熱電轉(zhuǎn)換將核反應(yīng)能轉(zhuǎn)換成電能，再用電能加速帶電粒子高速噴射，產(chǎn)生反作用推力。太空核推進(jìn)系統(tǒng)一般包括核反應(yīng)堆系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電-推力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。太空核推進(jìn)的一個(gè)典型實(shí)例是核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（圖4）。

圖 4 核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.4 Engine of nuclear rocket

核裂變型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的優(yōu)勢首先在于它不僅能長期工作（可達(dá)10多年），而且能產(chǎn)生很高的速度（8.7×104km/h），所以，它不僅能讓無人航天器到火星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等星球上探個(gè)究竟，還可以讓無人航天器到太陽系的空間遨游，并在可以登臨的星球上進(jìn)行著陸考察和資源開發(fā)。其次，核裂變型火箭大大縮短了太空飛行的時(shí)間，從而減少了整個(gè)飛行過程中接受來自空間的輻射劑量，顯著地增加成功探測的幾率[4]。再次，核動(dòng)力裝置還具有體積小、比沖大（可達(dá)當(dāng)代最佳化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的幾倍到幾十倍）、耐用，抗太空輻射和塵暴等優(yōu)點(diǎn)。這些都將使得太空核能推進(jìn)逐步取代傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)而成為大推力推進(jìn)首選技術(shù)[5]。

3.2.2 太空核推進(jìn)的應(yīng)用

太空核推進(jìn)研究中最著名的為2003年1月美國提出的“普羅米修斯”計(jì)劃，目的是利用核動(dòng)力推進(jìn)航天器探索火星。該計(jì)劃開發(fā)的太空核推進(jìn)系統(tǒng)和太空核電源系統(tǒng)，可以大大提高航天器的飛行速度，擴(kuò)大探測太空的范圍，延長探測時(shí)間，提高探測效率，獲取更多的科學(xué)成果，因而它將推動(dòng)探測器深入到太陽系的各個(gè)角落及遠(yuǎn)征1.5×1010km外的太陽系邊界，開展快捷、長期、靈活和全面的科學(xué)探測活動(dòng)。具體來說，可用于以下探測任務(wù)：(1) 對(duì)木星、土星、天王星和海王星等外行星及它們的衛(wèi)星進(jìn)行綜合、詳細(xì)的探測研究；(2) 對(duì)彗星進(jìn)行全面探測，包括環(huán)繞探測和取樣返回，以提供進(jìn)一步了解宇宙構(gòu)成的知識(shí)；(3) 大大增強(qiáng)人類對(duì)環(huán)火星軌道、火星表面的觀測及取樣返回等探測活動(dòng)能力；(4) 遠(yuǎn)征太陽系邊界，探測冥王星和柯伊伯帶（離太陽約1.5×1010km處由彗星構(gòu)成的小天體帶），提供更多的有關(guān)太陽系起源與演化的知識(shí)。

3.2.3 太空核推進(jìn)中待解決的關(guān)鍵問題

研制太空核推進(jìn)系統(tǒng)首先要解決核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、制造、控制、冷卻、輻射屏蔽和高效率熱電轉(zhuǎn)換等一系列物理和工程上的難題[6]。此外，太空核推進(jìn)系統(tǒng)中的核輻射將對(duì)航天員的健康造成威脅。航天員在飛行時(shí)盡管采取了屏蔽措施，但其細(xì)胞仍會(huì)受到核輻射產(chǎn)生的粒子的轟擊，這對(duì)所有哺乳動(dòng)物的細(xì)胞的影響都非常大。航天員在飛行時(shí)眼前偶爾出現(xiàn)的閃光就是HZN粒子打到視網(wǎng)膜上形成的。就算在非載人情況下，核輻射也會(huì)損壞航天器中的半導(dǎo)體器件，使得太陽能電池性能退化甚至失效，有機(jī)材料性能劣化，甚至出現(xiàn)災(zāi)難性后果。因?yàn)檫@一系列的原因，太空核推進(jìn)系統(tǒng)至今仍在研發(fā)之中。

4 核聚變能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 航天應(yīng)用聚變能的意義

核聚變能比核裂變能有更多的優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域有非常重要的意義。當(dāng)今地球面臨著鈾資源危機(jī)。有資料介紹[7]，2020年到2030年前后將出現(xiàn)鈾資源不足。而核聚變能采用廉價(jià)而豐富的氘原料實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)而獲得能量。氘是氫的一種同位素，以氫的形式存在于水中，盡管其同位素豐度只有 0.015%，但因地球上豐富的水資源，可利用的氘原料幾乎取之不盡；相比核裂變，核聚變反應(yīng)釋放的有害射線較少，聚變能是一種清潔的能源。

在當(dāng)今的熱核聚變反應(yīng)中，無論是氘-氘（D-D）或氘-氚（D-T）聚變，均伴隨著產(chǎn)生大量的聚變中子及其誘導(dǎo)的 γ射線。根據(jù)酈文忠等人的計(jì)算結(jié)果[8]，HL-2A裝置中純D-D熱核聚變中子產(chǎn)額可達(dá)3.5×1014中子/s，若考慮D-T聚變，中子產(chǎn)額可達(dá)5.2×1015中子/s。因此我們必須對(duì)中子輻射采取相應(yīng)的防護(hù)措施。楊進(jìn)蔚等人建議當(dāng)中子的產(chǎn)額達(dá)到1011中子/s時(shí)，可以在裝置的四周覆蓋碳?xì)浠衔镏凶游掌帘螌樱ㄈ?0 cm厚的石蠟層）[9]。黃群英等人曾提到用硼水層（2.2%B+97.8%H2O）屏蔽HT-7U聚變裝置中產(chǎn)生的中子具有很好的效果[10]。Ralph等提出在聚變電廠防護(hù)中采用Li、Li2BeF4、Li17Pb83等3種液體進(jìn)行防護(hù)[11]，這些都給我們防護(hù)聚變推進(jìn)器中的輻射提供了一定的參考。

4.2 聚變能的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

核聚變能具有諸多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的開發(fā)前景，但核聚變的不可控性在一定程度上仍制約著它在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。為了應(yīng)用核聚變能，前人做過很多不懈的努力。T.Kammash等曾經(jīng)提到一種利用聚變反應(yīng)堆加熱磁約束裝置中的等離子體的核推進(jìn)系統(tǒng)[12]。陳志等人探索了D-3He聚變?nèi)剂贤七M(jìn)器的可行性，發(fā)現(xiàn)其核心問題是受控核聚變?cè)?He的來源[13]。北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的白云等人總結(jié)了目前對(duì)于聚變能利用的3種主要方式[14]：磁約束MCF（Magnetic Confinement Fusion）、慣性約束ICF（Inertial Confinement Fusion）和和平利用核爆反應(yīng)堆系統(tǒng)（Peaceful nuclear explosive reactor，PACER）。由于MCF和ICF聚變都面臨一些復(fù)雜的問題，相關(guān)的技術(shù)問題很難在短時(shí)間內(nèi)得以解決，因而從技術(shù)上講，PACER很有可能成為解決世界能源需求的一個(gè)現(xiàn)實(shí)途徑。劉成安等人提出以核爆壓縮的方式，使數(shù)百克氘達(dá)到很高的密度和溫度,發(fā)生大規(guī)模、高速度自持的聚變反應(yīng)[15]。將此瞬時(shí)產(chǎn)生的大量能量儲(chǔ)存于熱載體（如液態(tài)鈉或鈉鉀混合物）中,而后以可以接受的、較為緩慢的速度將熱載體中儲(chǔ)存的能量傳輸出來,用于發(fā)電。聚變核爆炸裝置由初級(jí)和次級(jí)組成：初級(jí)就是一枚小型的原子彈，以裂變放能為主，且需用少量的濃縮鈾或239Pu或233U等易裂變?nèi)剂?；次?jí)就是干凈的小氫彈，主要以氘作燃料加少量氚。利用初級(jí)小原子彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波和高溫使次級(jí)彈芯達(dá)到高溫、高密度，從而實(shí)現(xiàn)高溫、高密度下的氘-氘自持聚變反應(yīng)。后來彭先覺等人構(gòu)思了一個(gè)核爆聚變電站[16]：讓核裝置在一個(gè)巨大的洞室（也稱爆洞）中爆炸，爆炸之前往洞中噴液態(tài)金屬鈉，并使鈉在爆炸時(shí)刻在爆炸核裝置周圍形成一定的分布；鈉一方面大量吸收爆炸的能量，同時(shí)還可有效降低爆炸沖擊波對(duì)爆洞壁的作用強(qiáng)度；爆炸后，把加熱的鈉從洞中抽出，與電站第二回路進(jìn)行熱交換。彭先覺等人最終還預(yù)言：核爆炸在一定條件下是可控的，核爆聚變電站物理上是可行的。更重要的是我們可以利用核爆炸產(chǎn)生的大量中子來生產(chǎn)核燃料和進(jìn)行核廢料處理,能夠更好地發(fā)揮熱中子堆的作用。美國和前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代已開展了這方面的研究。

4.3 利用核裂變和聚變能推進(jìn)航天器

鑒于核聚變的不可控性和核爆發(fā)電的原理，我們繞過目前存在的技術(shù)障礙，實(shí)現(xiàn)核聚變能用于空間推進(jìn)，設(shè)想借助可控的核裂變來誘發(fā)聚變反應(yīng)，將其用于推進(jìn)航天器。初步設(shè)想大致分為幾個(gè)階段。

(1) 利用裂變點(diǎn)火，誘發(fā)核聚變反應(yīng)。如圖 5所示，分別在A、B兩容器中裝入少量的濃縮鈾或239Pu或233U等易裂變?nèi)剂虾碗Ｈ斯た刂艫容器中的燃料使其發(fā)生核裂變反應(yīng)，核裂變產(chǎn)生的沖擊波是大振幅擾動(dòng)的非線性波。這種波在 B容器中以超聲速傳播，波內(nèi)氣體將受到顯著的壓縮，從而產(chǎn)生高溫、高壓環(huán)境。環(huán)境的壓力必將壓縮 B容器中的聚變?nèi)剂想?，使其達(dá)到很高的密度和溫度，于是發(fā)生大規(guī)模、高速度、自持的核聚變反應(yīng)。

(2) 在B容器中噴入熱載體，使其在容器B中形成一定的分布。當(dāng)核聚變反應(yīng)被誘發(fā)后，其釋放的能量就被儲(chǔ)存在熱載體中。這里，熱載體一方面用來儲(chǔ)存能量，另一方面還用于調(diào)制爆炸沖擊波對(duì)容器壁的作用強(qiáng)度。

圖 5 核裂變、聚變能推進(jìn)航天器模型Fig.5 Propulsive model of spacecraft using nuclear fission and fusion energy

(3) 核聚變?cè)贐容器中發(fā)生后將向四周釋放能量，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，沖擊波在傳播的過程中伴隨著激波。激波前后的量（如壓強(qiáng)、密度、速度）應(yīng)分別滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律，即

其中：p、ρ、v分別表示激波的壓強(qiáng)、密度和速度；下角標(biāo)0、1分別代表未擾動(dòng)區(qū)和擾動(dòng)區(qū)；ε表示激波的能量。由以上 3式可得激波關(guān)系，也稱藍(lán)金-雨貢尼奧關(guān)系：

可將激波關(guān)系寫為（令 Δp=p1-p0）

可見沖擊波的破壞與壓強(qiáng)、絕熱系數(shù)有著密切的關(guān)系。在設(shè)計(jì) B容器的器壁時(shí)，應(yīng)主要考慮此因素。

(4) 在 B容器外圍加上一層特殊的調(diào)制介質(zhì)C。該介質(zhì)將限定核聚變的邊界條件，根據(jù)不同介質(zhì)對(duì)中子的作用不同對(duì)能量釋放的方式進(jìn)行調(diào)制。如使核聚變釋放的能量在±x方向降為很低，而在±y方向只降低至容器壁可以承受的量級(jí)。作為代價(jià)，±y方向的能量輻射強(qiáng)度同時(shí)也將降低。這樣，經(jīng)過調(diào)制后的能量將主要沿±y方向釋放。

(5) 利用外殼D約束經(jīng)過調(diào)制后釋放的物質(zhì)，使其高速地從推進(jìn)器尾部噴出。將航天器置于＋y方向，由于動(dòng)量守恒，從推進(jìn)器尾部釋放物質(zhì)和能量的同時(shí)就會(huì)推動(dòng)航天器。

核聚變空間推進(jìn)方法是一種新的直接推進(jìn)方法，還有很多有待解決的具體問題。但這種結(jié)合核裂變能和核聚變能用于推進(jìn)的方法必將給未來的深空探測任務(wù)提供又一新的思路。

5 結(jié)束語

核能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐步受到人們關(guān)注，主要體現(xiàn)在太空核電源和太空核推進(jìn)。太空核電源提供的功率大，使用壽命長，可以極為有效地提高航天器的生存能力，但要求必須對(duì)航天器上的儀器設(shè)備采取屏蔽措施，防止各種射線的損害。太空核推進(jìn)的優(yōu)勢在于它不僅能長期工作，還能產(chǎn)生更高的速度，因而利用核能推進(jìn)將成為大推力推進(jìn)技術(shù)的理想選擇。但是核能推進(jìn)技術(shù)的開發(fā)中也存在核動(dòng)力的安全隱患問題——核輻射不但會(huì)嚴(yán)重危害航天員的健康，而且即使在非載人情況下也會(huì)損壞航天器中的器件，因而必須對(duì)輻射產(chǎn)生的各種粒子及射線（如n、γ等）進(jìn)行防護(hù)。盡管如此，要發(fā)展地面先進(jìn)、大推力、高比沖且可用于單級(jí)入軌的大型運(yùn)載系統(tǒng)，仍應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)展核能推進(jìn)技術(shù)。

核聚變?nèi)剂腺Y源豐富，釋放的能量比核裂變大得多，又是一種清潔的能源，但目前核聚變的可控性尚未解決。因此本文提出一種新型的航天器推進(jìn)方法，即利用可控的核裂變點(diǎn)火、核聚變放能來實(shí)現(xiàn)核推進(jìn)。讓核聚變材料在高溫、高密度條件下發(fā)生核聚變反應(yīng)，用熱載體儲(chǔ)存聚變釋放的能量；然后通過調(diào)制介質(zhì)來調(diào)制輻射場和壓力場，選擇合適的邊界條件，使能量釋放后產(chǎn)生的推力主要沿著某一方向，從而達(dá)到最終直接推進(jìn)航天器的目的。

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