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核动力航天飞机
孔祥涛
（兰州大学核科学与技术学院）
摘要：核动力航天飞机以热中子诱发的裂变为能量来源，利用裂变后产生的大量高能带电粒子与发动机内壁的作用，产生使航天飞机向前加速的推力。本文的目的是用经典力学的方法算出这个推力。之后，对比核动力发动机和化学能发动机的性能，仿照美国航天飞机来设计核动力航天飞机。最后，展望未来航天新时代。
关键词：核动力航天飞机，裂变，推力，航天新时代。

一，引言
从1896年贝克勒尔发现放射性元素开始，核物理及核能应用得到了快速而长远的发展。首先是理论上的发展：1932年9月，Szilard就提出了用中子诱发裂变的概念，并提出了用这种方法可以制造原子弹。很快，到1938年，两名德国物理学家就从实验上证明了热中子诱发裂变产生两个碎片。此后，核科学的发展速度是惊人的，在理论尚未完成之际，核能的应用就开始了。首先是在军事上，当时正值二战后期，为尽快结束战争，美国于1942年8月开启了曼哈顿计划，很快在1945年就制造出了原子弹。核能不仅在军事上应用广泛，而且在民用领域也发展迅速，特别是核电站。从1942年实现第一次反应堆临界，截止到2006年，全世界有37个国家正在运行的发电反应堆共计442座，提供全世界电力的17%，总输出约40000MW。
另外，人们还提出了核聚变的理论。然而，现在实际应用的核电站和核武器都用中子诱发的裂变作为能量来源。所以，目前人们研究的核裂变较其他核反应更为深入，实验数据也更齐全，其应用技术也更为成熟。这是我为何选用核裂变做为研究对象的原因。
核能发电已取得巨大的发展，而核能应用于航天却是一个全新的领域。目前，航天普遍采用化学反应作为能量来源。虽然航天已取得了举世瞩目的成绩，但却始终存在以下几大问题：（1）化学燃料比冲太小，这就意味着将一定质量的载荷送入太空需要贮存很多燃料，如一般火箭的燃料会占总质量的90%以上。（2）限于化学能的低效率（将载荷送入太空后燃料几乎耗尽），航天器在太空中的飞行只能依靠引力，这不仅降低了航天器的机动性，还增加了航天器飞行的控制难度。（3）高难度的飞行控制导致的直接后果是复杂的计算和数据处理。另外，增加了大量监控设备和配套系统，致使航天工程变成了一个很复杂的大系统。复杂的操作和复杂的系统不仅降低了效率，更重要的是增加了成本，使航天工程成为一个烧钱的大项目，如美国的阿波罗登月计划前后耗资255亿美元。（4）然而，耗巨资发展起来的航天，现在却遇到了继续发展的瓶颈。因为进入太空的航天器的燃料基本耗尽，再加速就很困难，致使速度很低，要做进一步的深空探测则需要很长时间，如去火星需要500天，更不要奢谈星际旅行了。
一次和的化合反应（航天中常用的）只放出2.51eV的能量，而一个核裂变释放出约200MeV的能量。二者相差100万倍，可以想象，假如核能应用于航天，其定会给航天带来空前的革命。再不需要复杂的系统来保障航天器的飞行，因为航天器有充足的燃料做机动飞行。依靠大推力的发动机，航天飞机可以加速到很高的速度，星际航行也会成为现实。
因为本文是关于核能的应用，应先将核裂变的过程和核裂变后的产物组成说清楚，特别是裂变碎片的质量、动能分布。
二，中子诱发的核裂变
2.1裂变过程
下面按液滴模型的观点，简述裂变的全过程。 图2-1
处于激发态的原子核（例如，铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核）发生形变时，一部分激发能转化为形变势能。随着原子核逐步拉长，形变能将经历一个先增大后减小的过程。这是因为有两种因素在起作用：来自核力的表面能是随形变而增大的；来自质子之间静电斥力的库仑能却是随形变的增大而减小的。两种因素综合作用的结果形成一个裂变势垒，原子核只有通过势垒才能发生裂变。势垒的顶点称为鞍点，如图2-1。以上从能量角度说明裂变过程，下面引自液滴模型，将复合核视为液滴，形象展示复合核的运动过程。
当吸收中子后形成激发的复合核，开始时呈球形A，之后经过如图2-1一系列状态。
/s
阶段
0
鞍点

断点

动能达最大值

瞬发中子

瞬发射线

衰变
当复合核经振荡态B到达哑铃状C，若表面能超过了体积能，它就不会再回到状态A，而是裂变成了两个碎片（E态），由于静电排斥，它们向相反的方向飞开。这时静电库仑能转化成两碎片的动能。初生碎片具有很大的形变，它们很快收缩成球形，碎片的形变能就转变成为它们的内部激发能。具有相当高激发能的碎片，以发射若干中子和γ射线的方式退激，这就是裂变瞬发中子和瞬发γ射线。退激到基态的碎片由于中子数（N）与质子数（Z）的比例（N/Z）偏大， 表2-2
均处于β稳定线的丰中子一侧，因此要经历一系列的β衰变而变成稳定核（见远离β稳定线的核素）。这就是裂变碎片的β衰变链。在β衰变过程中，有些核又可能发出中子，这此中子称为缓发中子。以上就是一个激发核裂变的全过程。
根据理论估计，各过程的时间间隔如表2-2。
2.2裂变产物和裂变中子
对由热中子引起的裂变的详细研究表明，的裂变共有40多种不同的方式，产生80种以上的初级裂变产物或称裂变碎片。这些产物的质量数范围为72~161。但一次裂变只产生两个碎片，碎片种类繁多主要是因为裂变方式众多。将裂变后碎片产额以及对应的质量A在坐标系中描点，并用平滑线连接各点，从而得到质量分布图（如图2-3)。
裂变产额定义为在总的核裂变中产生某种给定质量数产物的核裂变所占的份额（即百分数）。实验中观测到的裂变产额分布在的范围内。注意，由于每次裂变形成两个核，所以，所有碎片的产额之和不是100%，而是200%。 图2-3
一般将所有裂变碎片的质量分成两大群：一是轻群，质量数从80到110；二是重群，质量数从125到155。有一些产物在这两区的中间或是外边，但它们加起来也不超过裂变的百分之几。裂变中产额最大的质量数是95和139，它们约占总产物的6.4%。
已观察到了与裂变产物质量数的分布相对应的动能分布，其结果与两个质量数群类似，探测到了两个明显的动能群。重群中最丰产物的动能近似为67MeV，而轻群中最丰产物的动能为98MeV。
另外，产物中还有电荷分布和角分布。电荷分布指对应质量数为A的碎片，其核内质子数也有几种可能值，即电荷分布，记为。角分布指当中子沿某个方向射向时，相对于中子的入射方向，其裂变碎片的飞出方向不是任意的，而是有几种可能值，即角分布。
裂变后释放的中子可以分为两类：瞬发中子和缓发中子。占裂变中子总数99%以上的是瞬发中子，其在的裂变瞬间内被释放。裂变后，碎片因退激而发射的中子称为缓发中子。另外，称释放缓发中子之前的碎片为初级碎片，之后的为次级碎片。
能量种类
大小（MeV）
裂变碎片的动能
168
裂变中子的动能
5
瞬发γ射线
7
裂变产物衰变的β射线
8
裂变产物衰变的γ射线
7
中微子
12
过剩中子的(n,γ)反应产物
—
总计
207
2.3裂变释放的能量
热中子诱发的裂变一次释放大约200MeV的能量，其能量种类及数值大小如表2-4。由表可知，裂变能的绝大部分是以裂变碎片的动能形式释放的。这是核动力发动机工作的能量来源。

表2-4
三，核动力发动机的工作原理
3.1工作原理
设想发动机内壁为抛物面（如图3-1），将m克铀放在焦点F上,中子射向焦点，诱发裂变，铀将在很短时间（）内全部裂变，产生大量的碎片。近似认为碎片沿直线运 图3-1
动，将与发动机内壁碰撞。由光学理论知，所有碎片将水平向右射出。这样，每个碎片都会有个动量改变量，即冲量。 由动量定理，这时发动机内壁会受到碎片反冲力的作用 其中为所有碎片的冲量之和，这个F就是发动机的推力，这类似于发动机内有一颗小原子弹因爆炸而产生推力。
3.2影响推力F的因素
从发动机内壁上取一微小面积dS，如图3-2有大量碎片射向dS，碎片具有各种各样的质量、动能、电荷。但由上边推力公式知推力只与质量和动能有关。 图3-2
设想内射向dS的碎片总数为N，因为碎片质量A有一个分布律，由分布律知质量A的产额为，则射向dS的碎片中质量为A的碎片数为。另外，质量为A的碎片又有各种动能，同样，动能也有一个分布律，且与质量有关，记为。
设的质量数为=235，核内质子数为=92，一次裂变产生两个碎片，质量数分别为和，动能分别为和（单位为MeV），则有+= 称这两个碎片为互补初碎片，其动能之和为TKE=+。因为实验中常用双能量法测量一对互补碎片的动能之和，从直接测量的结果来看，可用碎片总动能TKE表示其中一个碎片的动能。
由概率论知，A和TKE的联合分布为=。所以，质量为A，总动能为TKE的碎片记作（A，TKE)，其数目应为N/2。
由实验只能得到几个质量、动能的碎片的产额，即离散量。而用数学软件MATLAB模拟出的却是几个连续函数：质量分布、动能分布、联合分布。但可以作为离散量的近似，因为有。
由上对推力F影响因素的分析，碎片的电荷不会影响推力，所以，不研究碎片的电荷分布。另外，讨论中子对推力的影响：因为动能与动量的关系为，由表2-4知中子动能、质量都很小，所以，中子动量可相对碎片忽略不计。最后，对于角分布，若假设裂变材料中足够多，中子从各个方向射入，则碎片会等可能性的向各个方向飞出，即各向同性。在此条件下就不考虑角分布。
综上，为了求推力F，要重点研究碎片质量、动能分布。
四，碎片质量、动能分布
4.1研究思路及方法
作为核物理理论学家，他们的研究方法是根据实验得到的分布数据，去构建核裂变的模型，用数学语言去描述核裂变，预计核裂变的结果，这就是理论。当理论结果与实验数据有出入时，就去修改模型或重建模型。而本项目是关于核能应用的，若利用核物理理论，就会引入高深理论和高难度的数学计算，会增加项目的研究难度。而我的方法是直接利用实验数据，用数学软件MATLAB模拟出质量分布和动能分布，而不是走理论道路，这样降低了难度，还增加了结果的精确度。另外，由于学校实验设备的限制，我无法去测量所需的数据，只能从网络数据库中下载实验数据。
4.2质量分布
分析各种核裂变数据，发现质量分布可分为3种类型：1）对称分布，即在碎片质量数为处有一个峰。2）非对称分布，核裂变产生两个质量不等的碎片。3)混合分布，即对称分布和非对称分布的混合。实际上，每种分布都是混合分布。只是当对称分布或是非对称分布占较大优势，另一个分布就不明显了。但当两分布比重相
图4-1
当时，可在图中见到3个峰，如图4-1。
如图4-2，为热中子诱发裂变后碎片的质量分布，可以看出以非对称裂变为主，峰谷比大约为600。
考虑用最简单的函数模拟质量分布，可以认为是两个高斯函数之和。即：
+ 图4-2
其中，为多项式拟合的剩余函数，而高斯函数为

取数据如下表：
碎片质量
84
85
87
88
89
91
92
93
94
产额
%
1.4
1.7
2.89
3.24
4.22
5.2
5.22
6.18
5.87
碎片质量
95
97
99
103
105
109
111
112
115
产额
%
6.39
5.92
5.45
3.57
1.42
0.16
0.14
0.12
0.1
碎片质量
121
125
127
129
131
132
133
134
135
产额
%
0.082
0.088
0.39
1.41
4
5.1
6.47
4.71
6.42
碎片质量
138
139
140
141
142
143
144
147
149
产额
%
6.1
6.42
5.82
6.03
5.16
4.66
4.19
2.22
1.15
以下为用MATLAB拟合的结果;
程序为：function [pingjucha fangcha]=nihexiaoguo()
yy=[1.4 1.7 2.89 3.24 4.22 5.20 5.22 6.18 5.87 6.39 5.92 5.45 3.57 1.42 0.16 0.14 0.12 0.1 0.082 0.088 0.39 1.41 4.00 5.1 6.47 6.66 6.88 6.10 6.42 5.82 6.03 5.16 4.66 4.19 2.22 1.15 0.52]/100;
xx=[84 85 87 88 89 91 92 93 94 95 97 99 103 105 109 111 112 115 121 125 127 129 131 132 133 134 135 138 139 140 141 142 143 144 147 149 151];
for i=1:37
pingjun(i)=abs(eeee(xx(i))-yy(i))/yy(i);
hecha(i)=(eeee(xx(i))-yy(i))^2;
end
pingjucha=sum(pingjun)/37;
fangcha=sum(hecha);

拟合得到的函数为：
总函数
function y=eeee(x)
if x>0&x<105
y=eee(x);
elseif x>=105&x<=129
y=eee3(x);
elseif x>129&x<142
y=eee4(x);
elseif x>=142&x<=151
y=eee5(x);
else
y=eee(x);
end
105 ~129的函数
function y=eee3(x)
a1 =0.01818;b1 =103.3;c1 = 2.916;a2 =0.01659;b2 =130.1;c2 =2.438;a3 =0.001218;b3 =111.3;c3 =15.89;
y=a1*exp(-((x-b1)/c1).^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2).^2) + a3*exp(-((x-b3)/c3).^2);
%105 ~129
129~ 142
function y=eee4(x)
a1 =0.06248;b1 =134.1;c1 =4.34;a2 =0.05371;b2 =141.2;c2 =4.878;
y= a1*exp(-((x-b1)/c1).^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2).^2);
%129~ 142
142~151
function y=eee5(x)
p1 =0.0002533;p2 = -0.07982;p3 =6.283;
y= p1*x.^2 + p2*x + p3;
剩余区间
function y=eee(x)
a1 =7.954;a2 =8.956;b1 =137.3;b2 =95.15;
y=1/sqrt(pi)/a1*exp(-((x-b1)/a1).^2) + 1/sqrt(pi)/a2*exp(-((x-b2)/a2).^2);
图4-3为拟合曲线，红点为数据点，蓝线为拟合曲线。
图4-3
拟合效果评价：
（1）由上得到碎片质量平均值，轻组的=95.15，重组的=137.3
（2）计算方差 其中，为用拟合函数计算的质量数是的产额，为实验值。计算的方差为1.5632e-004
（3）考虑到用方差不能形象的评价拟合效果，即不能形象的说明计算值与实验值差距是多少。特引入平均相对误差，定义为 其意义在于评价计算值偏离实验值得相对大小。计算得K=5.01%，即计算值和实验值只有5%的误差，模拟效果很好。
另外，在拟合图中可以发现在峰值处有明显的起伏，这可能由于奇偶效应的影响。出于研究的简化，将不考虑这一效应。
入射中子能量也会对碎片的质量分布产生影响，实验证明，当中子能量增大时，对称裂变所占比重将会增加，这样会增加模拟的难度，所以选用热中子诱发的来研究。
4.3动能分布
4.3.1碎片总动能的分布
首先不管碎片的质量，用双能量法得到一系列碎片总动能值及其所占比率，从而得到动能分布图，通常也是高斯型的，如图4-4（图中相对事件数对应概率的大小）。 图4-4
图中峰值对应的动能为最概然动能，记做。实验发现碎片的总动能只与裂变核有关，而与裂变核的激发能无关。
碎片的动能绝大部分来源于断裂时碎片间的库伦能，则应与裂变核的和有关，由实验结果得到半经验公式: 单位是MeV
代入数值得 MeV。
表征动能分布除平均值，还有方差。如图4-5给出了多种不同裂变核裂变后碎片总动能分布的均方差。 图4-5
由图4-5可以直接读出的值。
综上，总动能的分布函数为：

4.3.2规定碎片质量的动能分布
对于质量数为A的碎片，其动能有一系列可能值，即有一个分布律，且这个分布律与A有关，记为。由前所述，状态为（A,TKE)的碎片所占比例为。
以A、TKE、分别为x轴、y轴和z轴，做三维图。若将三维图压入A-TKE平面中，则可得到如图4-6等高图，图4-6是自发裂变碎片质量及总动能的联合分布等高图， 图4-6
显然，也有类似的等高图。
虽没有的碎片质量、动能的联合分布，但有如图4-7的碎片质量、动能分布图。碎片动能按质量的分布的平均值为，为轻重碎片的平均动能之和，其是关于对称，本图只给出了重组的那部分，其实验结果如中图。另外，是一定质量的碎片动能分布的均方差。
对图4-7拟合得到函数 .若假设质量为A的碎片的动能分布是高斯型的，则条件分布 图4-7
=

4.裂变的多模式理论
综上，裂变后的现象是复杂多样的，但也有很强的规律性，即质量、动能分布律。为了解释这些现象，人们提出了很多理论和模型，如动力学理论、微观理论等。但我认为对本项目更有指导意义的是多模式理论。
4.4.1多模式理论简介
裂变碎片的质量、动能分布主要决定于断点的形状，而断点形状决定于裂变过程在形变空间所经历的形变路线。对于较高激发能的裂变核，对称形变在位能曲面上是一条
图4-8 较深的谷，从能量上看，这类裂变只有一种模式。而对于低激发能的核，情况则复杂得多，由于壳效应和量子效应，位能曲面变得很复杂，裂变有多种模式进行，即形变有多种路线。多模式理论指出分布律是由多个函数叠加而成的。
如图4-8位能曲面，就有两个深谷，就有两个裂变模式。
4.4.2由多模式理论求质量分布
假设一种模式对应的函数是高斯函数：
不同模式有不同的参数值。在对结果的拟合过程中发现只需三个模式即可，拟合结果为：

第一组为对称裂变，其所占组分为。第二组为两种非对称模式，其组分分别为和。其中为拟合后的剩余部分产额，一般不超过10%，可以忽略不计。上式中各参数值见下表
(%)

(%)

(%)

(%)
0.2
1.4
78
140.7
5.1
18
0.46
135.9
4
其模拟效果见图4-9：
图4-9 图4-10
综上，在对质量分布分析后，一共有4种模式，两种是非对称的，通常称为标准模式，和。两种对称模式SL和SS。
4.4.3动能分布
如图4-10为几种碎片的总动能TKE的分布，由多模式理论，可拟合得到联合分布

其中 参数值见下表
i

1
18.3
133.9
2.6
16.0
0.68
2
81.4
141.1
5.0
17.5
0.80
以A和TKE分别为x轴和y轴做的三维图如下图

五，推力F的推导
5.1理论简化及模型构造
前面已说明了核动力发动机的工作原理，但核裂变是个复杂过程，现有理论又复杂难懂，要想从理论上解决工程问题就必须做一些简化：
（1）假设中子从各个方向射向铀块，并认为其中的足够多，则裂变碎片射出方向是各向同性的。
（2）假设吸收中子就会裂变，从而省去了对裂变几率的研究。
（3）以热中子诱发的裂变为研究对象，可以降低对质量、动能分布的拟合难度，也会有大量现成的实验数据可以利用。
（4）认为m克铀全部裂变所需时间为，并认为期间单位时间内裂变数是固定的，则在内的每一时刻打在发动机内壁上的碎片数是一定的。
（5）假设碎片运动时之间无相互作用，从而碎片沿直线运动。
（6）因为大多数碎片的速度都是量级的，所以，对于大多数碎片，，从而不用考虑相对论。
（7）假设碎片与发动机内壁的碰撞为弹性碰撞。
5.2发动机内壁的形状，使用抛物面还是球面
图5-1
因为对称性，可在二维直角坐标中讨论半球形和抛物线（如
图5-1）。
将实验用铀块放在焦点或圆心O上，首先讨论从O点射出的一个质量为m，速度为v的碎片。因为只求水平推力，应将速度分解，只考虑水平动量的变化量。
对于半球形，碎片垂直反射回O点，将v分解后，在水平方向上，冲量为 对于抛物线，碰撞后，碎片将水平向右飞出，则在水平方向上，冲量为 显然， 所以，用抛物面可以增大碎片碰撞时的冲量。
5.3推力公式
直接引入推力公式F

其中：
（1）为阿伏伽德罗常数，微电子电荷量，1MeV=J。
（2）因为一次裂变产生两个碎片，所以m克产生的碎片总数为。
（3）为粒子通量，其意义是在单位时间内通过单位面积的粒子数，因为碎片射出是各向同性的，所以粒子通量为=。 （4）因为是在抛物面内，从焦点到抛物面的距离R是一个关于的变量。
求 由方程得=
（5）取如图5-2圆环为面积微元dS。
所以有dS== 因为发动机是有限度的，C为其边缘，且 则的积分区域为0~
图5-2
（6）v是碎片的速度，其与质量A和总动能TKE有关，记为
由动量守恒，设两碎片的动量都为p，则有以下推导：

（7）即前边的质量、动能联合分布。注意此式只适用于重核。对于轻核，设A为轻核的质量，对于其互补的重核，TKE相同，而质量为。所以轻核的联合分布为。
相应的参数也有所变化：
i

1
18.3
101.1
2.6
16.0
0.68
2
81.4
93.9
5.0
17.5
0.80
另外，要乘以1/2，因为，所有碎片产额之和是200%
（8）其他的符号则是常数，积分区间为

综上，将所有的都代入，化简得

5.4用MATLAB求积分
限于MATLAB水平，没有求出符号解，只得到了数值解，其程序及结果如下：
function ht
[x,y]=meshgrid(100:1:200);
f=@(x)6.02*10^23*sin(x).*(1+cos(x))/235;
g=@(A,TKE)(2.*A.*1.66.*10.^(-27).*(235-A).*TKE.*1000000.*1.6.*10.^(-19)./235).^0.5.*(0.07.*1./((2.*3.14).^0.5.*4.1).*exp(-(A-118).^2./(2.*4.1.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.5).*exp(-(TKE-1.44./19.4.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.5.^2))+18.3.*1./((2.*3.14).^0.5.*2.6).*exp(-(A-133.9).^2./(2.*2.6.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.68).*exp(-(TKE-1.44./16.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.68.^2))+81.4.*1./((2.*3.14).^0.5.*5).*exp(-(A-141.1).^2./(2.*5.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.8).*exp(-(TKE-1.44./17.5.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.8.^2)));
quad(f,0,3.14*0.75)*dblquad(g,0,235,120,300)
h=@(A,TKE)0.07.*1./((2.*3.14).^0.5.*4.1).*exp(-(A-118).^2./(2.*4.1.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.5).*exp(-(TKE-1.44./19.4.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.5.^2))+18.3.*1./((2.*3.14).^0.5.*2.6).*exp(-(A-133.9).^2./(2.*2.6.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.68).*exp(-(TKE-1.44./16.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.68.^2))+81.4.*1./((2.*3.14).^0.5.*5).*exp(-(A-141.1).^2./(2.*5.^2)).*1./((2.*3.14).^0.5.*0.8).*exp(-(TKE-1.44./17.5.*(92./235.*A-0.5).*(92./235.*(235-A)+0.5)).^2./(2.*0.8.^2));
z=h(x,y);
mesh(x,y,z);
quad(f,0,3.14*0.75)
dblquad(g,0,235,120,300)
结果为 即传给发动机的冲量为 取
则推力为。
六，核动力发动机与化学能发动机性能对比
计算结果显示这个推力大的惊人，而且传给发动机的水平动量也达到了。考虑到计算过程中引人了大量的简化，而且，实际上铀块并不是纯净的：除了,还有其它的结构材料。所以，实际推力可能会有二个或三个数量级的误差。但是，在开头已明确过，本项目只是提出一种新的航天推进方案和证明该方案的可行性，更重要的是说明它的意义，所以没有考虑更多的工程实际问题。
目前火箭的推进装置主要有液体火箭发动机和固体火箭发动机。其原理(如图6-1）都是将推进剂在燃烧室内进行热化学反应，将化学能转化为热能，生成高温、高压气体，之后经喷管膨胀加速，将热能转化为气流动能，高速从喷管喷出，即反冲， 图6-1
从而产生推力。图6-2，图6-3分别为液体和固体火箭发动机。
图6-2 图6-3
6.1评价火箭发动机性能的几个重要参数：
（1）总冲：火箭在工作时间产生的冲量之和。其计算式为。其意义是：总冲越大，就能把越重的载荷加速到越快的速度。
（2）比冲：火箭发动机推进剂单位质量流量所产生的推力，单位是 牛秒/千克（），即消耗单位质量的推进剂，发动机所增加的动量，是评价推进剂性能的重要指标。
（3）推重比：火箭发动机推力与发动机结构重量之比值，推重比代表发动机设计、材料和制造技术水平。现代火箭的推重比在75~100范围内。
(4)质量比：初始质量（发动机工作之前）除以最终质量（推进剂消耗完时）。质量比反映了火箭推进剂占火箭总质量的比率。
6.2性能对比
核动力发动机和化学能发动机都是利用反应后产生的高能粒子流。因为一次核裂变释放的能量是化学反应的100万倍以上。所以，粒子流的动能和速度相差巨大，如一般火箭的出气速度为1500m/s~5000m/s，而核裂变后一般碎片的速度都在附近，二者相差1万倍，这是二者推力相差巨大的根本原因。
数据显示，液体火箭的比冲大于固体火箭的，但也就是2450~4900，推力最大为。目前研制的推力最大、运载能力最强的火箭是土星5号，其一级发动机的总推力为，燃料比冲为2600。而核动力发动机只需1克燃料就能产生的推力，比冲也达到了，二者差距都在万倍以上。
比冲大意味着在总冲相同的情况下，可以用更少的燃料将载荷送入太空。这样，核动力航天飞机就无需贮藏大量的燃料，而现代火箭，其燃料都占总质量的90%以上。砍去燃料质量后，核动力航天飞机的质量会更小，运载能力会更大。
因为，核裂变过程中需要大量控制设备，所以核动力发动机的结构质量会很大，但因推力很大，核动力发动机的推重比仍会远远大于化学能火箭的。
6.3当然，核动力发动机也有一些技术问题：
(1)推力过大，导致航天飞机的加速度过大，假设航天飞机质量为200吨，则核动力发动机产生的瞬时加速的为1000。这是人根本无法承受的。
(2)发动机内粒子运动速度达，将对内壁产生很强的撞击力，会增加对发动机强度的要求，另外，会有大量的热传给发动机，导致发动机过热问题。
(3)其中的裂变，相当于小型原子弹爆炸瞬间释放能量，控制起来难度较大。而引入控制系统又会增加航天飞机的自重。
（4）从地球表面发射，核动力发动机会喷出大量的放射性物质，危害环境，这也是当年猎户座胎死腹中的重要原因。
（5）1克铀块产生的推力只能持续，推力不稳定，不持续。
以上问题可用现代技术予以解决。下面，将介绍核动力航天飞机的结构，其中一些特别的系统将很好的解决以上问题。
七，核动力航天飞机
7.1美国航天飞机
如图7-1是美国航天飞机的模拟图，航天飞机由轨道器、外储箱和两个固体火箭助推器组成。起飞时的最大质量为2022吨，起飞推力为29430kN，设计有效载荷为29.5吨，总长 图7-1
56m，总宽23.8m，总高23.2m。
因为只有轨道器做空天往返运动，而且实际上，航天飞机更多指的是轨道器。所以，重点研究轨道器。其上有大推力的主发动机，也有轨道机动系统。其净重68吨，中间有一货仓，容积为300。最大载重质量为29.5吨。
7.2核动力航天飞机
可以仿照美国的航天飞机（如图7-2）设计核动力航天飞机的系统和结构。因为的比冲很高，所以无需外储箱、固体火箭助推器。这样，总重从2022吨降到了97.5吨，有效载荷所占比重从1.46%提高到30.26%。 图7-2
7.3核动力航天飞机的几大模块系统图
仿照轨道器来设计，如图7-2是轨道器的外形、结构。与之相同的是，核动力航天飞机也有以下几大系统：主发动机系统，轨道机动系统，散热系统，环境控制和生命保障系统，电源系统，电子系统，燃料及发动机控制系统。但也有以下几大不同：
（1）核动力发动机的改进：
要解决推力过大和推力不能连续性的问题，可以用慢化剂来给高速碎片减速。如图7-3，在发动机内壁附一层慢化剂，一可给碎片减速，又可增加碎片与发动机的碰撞时间。另外，从 图7-3
喷嘴不断喷出微粒，其先后不断的裂变，从而产生持续的推力。第三种方法是加装磁约束装置，如图7-3，增加水平向右的磁场，因为裂变碎片都是带电的，在洛伦兹力的作用下，所有粒子都向右飞出。这样，即减小了碎片与发动机的直接作用，又增加了作用时间，从而减小推力。
但引入了慢化剂，又引入了慢化剂的散热问题。可以在航天飞机内贮藏冷却剂，用来给发动机降温，这些被加热的冷却剂，一部分可用来发电，更多的是供下面的化学能发动机使用。
（2）航天飞机上的化学能发动机
使用核动力发动机的最大危害是造成核污染。然而，在大气层内虽不可使用核动力发动机，但到了太空中却可以使用。可以先用化学能发动机将航天飞机送入太空，之后再使用核动力发动机，因为放射性碎片都是带电的，在地球磁场的作用下，会偏离地球。另外，轨道机动系统也主要使用化学能发动机。
然而，航天飞机内不会贮藏太多的液氢、液氧，这是与其特殊的飞行模式有关。
7.4飞行模式及相应的结构设计
核动力航天飞机独特的飞行模式在于其不会在大气层内加速，返回时，也不会在大气层内减速，从而避免了大气阻力的问题。
美国航天飞机设计的最大败笔在于它的飞行模式上（1）上升时，在大气层内很快的加速（起飞后116秒，速度就达到1400m/s，8分钟后，速度达7800m/s），致使空气阻力过大，消耗了大量燃料。另外，因空气阻力，还会造成机体的损害。（2）返回时依靠空气阻力来减速，致使航天飞机表面因气动加热而过热，表面最高温度可达1570度。不得不增加表面隔热材料的性能和厚度。据统计，美国航天飞机表面的隔热材料总重为7245kg，这不仅增加了航天飞机的质量，而且，隔热材料也是很昂贵的。另外，几次航天飞机事故中，隔热材料都是罪魁祸首，如挑战者号和哥伦比亚号。
而核动力航天飞机的飞行模式是水平起飞，在大气从内先依靠机翼升力来提高高度，之后启动化学能火箭将航天飞机送入太空，这期间不增加速度，只增加高度，从而减少燃料损耗。到达近地轨道后，再开启核动力发动机，在轨加速到轨道速度。
所谓在轨加速，如图7-4，按上述飞行模式到达轨道时的速度小于所需的轨道速度，这时需要一个指向地球的反推力来抵消过多的引力，在由沿轨道切线方向的推力来不断增加速 图7-4
度，直到轨道速度，从而在轨稳定运动。同样，在航天飞机返回地球前，先在轨减速，降到与飞机速度差不多时，再进入大气层，从而利用机翼来保证航天飞机在大气层内平稳运动。以上飞行模式均有赖于航天飞机高效率的核动力发动机和轨道机动系统，即在进入太空后还有足够的能量用于加速和减速。
另外，相比于美国航天飞机，核动力航天飞机总重可能达到150吨，其个头也会大一些，相当于美国军用飞机C-130。其机翼面积也会大于现有航天飞机，为避免机翼折断，机翼应可以收入飞机体内。
八，核动力航天飞机带来的航天革命
就目前的航天技术水平和未来的航天发展，我想打个比方：以人类航海为例，一开始，原始人制造小木筏和小船在小河或湖泊内捕鱼。航行距离短，小船的运载能力也很有限。后来，随着人类技术的进步，到了14世纪，人类可以制造借助风力进行远洋航行的帆船，从而开启了人类大航海时代。后来，工业革命之后，人类又发明了可以无需风力，并能在大海中自由航行的蒸汽机轮船，人类进入了现代社会。
其实，航天的发展与航海极为类似。现在的航天飞船，包括航