未来的核脉冲航天器，详细！

异形之用心

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介绍：
在20世纪50年代末期和20世纪60年代初，美国政府发起的一个项目，有可能把数百人，其中大部分是专业的科学家，或数百吨的货物大规模运往月球上，甚至有可能派人类远征火星和土星。可以想象与同一时期的阿波罗计划，可能大约相同数量的钱。项目代号为猎户座，这概念实在得那么好，他们今天得重新认真地考虑。

猎户座是一个空间飞行器推进系统，依赖于微型原子弹脉冲式的推进。这看似荒谬的想法是猎户失败的原因之一然而，许多著名的物理学家确信，它是实际地。由于微型原子弹是分开的实体，该系统是运行在一个脉冲式而不是一个持续的模式。它在这方面类似于汽车的引擎，不过其燃烧的温度要远远超过了熔点汽缸和活塞。因为其燃烧周期的最高温度是比较短暂的，所以发动机可以保持完好无损。

“原子驱动器”看似是一个科幻，但似乎“斯坦尼斯乌拉姆”和“德克勒克霍夫曼”进行了可能性的第一次认真的调查。当时他们正在工作的曼哈顿计划。在四分之一个世纪第二次世界大战后，美国原子能委员会（取代能源部于1974年）与各联邦机构进行了一系列核发动机NERVA项目。最终NERVA（核火箭发动机的应用）在1972年被取消了。这些发动机是热的工作流体媒介通过一个核反应堆加热，然后允许它通过一个喷嘴扩大。虽然这听起来很简单的工程问题却是困难不断的。如何设计好这些外观？一个有用的计算，火箭发动机的比冲ISP ：最好的化学火箭（低温氢氧发动机）具有ISP提供的约450秒 。NERVA了的ISP否大其两倍，考虑到核裂变的燃料中含在同质量下拥有比化学燃料多100多万倍的能量。一个主要的问题是，反应堆必须运行在一个恒定的温度下，这温度必须低于结构材料的熔点，大约3000摄氏度 。

一些设计建议在1940年年底和1950年要解决的温度限制和利用巨大力量的原子弹，估计就为了100亿马力的中型设备。马丁公司设计了一个核脉冲火箭发动机的“燃烧室”直径130英尺。小型原子弹下的当量越0.1万吨（一千吨的当量相当于1000吨TNT炸药的当量）;水作为推进剂。这种设计产生了相对较小的ISP：1150秒，并可能产生的最大速度为260000英尺（78公里）/秒。该航天器将被常规化学火箭提高到海拔150英里（250公里），以及额外的80000英尺（24公里）/秒左右从而提供将允许它逃脱地球的重力。在劳伦斯利弗莫尔实验室制作了一个类似但更小的设计要求赫利俄斯大约在同一时间 。

1955年在一份机密文件中，“斯坦尼斯乌拉姆”和“哥尼流埃弗里特“完全消除系统内部的燃烧室。其次是使用外部的固体推进剂磁盘。爆炸将蒸发磁盘，由此产生的高能等离子体会侵犯后推板。这样做的好处是，系统没有试图于爆炸，这意味着相对较高的收益率（因此高功率）的炸弹可能被使用。这种方案既不存在高温的问题，而且其推力也”没有“极限。”乌拉姆“可能已经通过实验证明，其中（石墨涵盖钢铁）固体推进剂磁盘离tnt爆炸心30英尺（9米）后才发现其完好无损;只不过一层石墨已经从它的表面烧蚀 。

”猎户座“计划于1958年在美国出生。
当使用小型核弹时，该驱动器是对名副其实的“超级武器” 。他还认识到当核弹爆炸，弹碎片将喷在一个特定的方向。推进剂的首选材料是塑料，可能聚乙烯。塑料是善于吸收原子弹爆炸（即夫妇以及它的迅速辐射能量）的中子发射地，此外它将分解成原子：如氢和碳时，会高速搅拌。有迹象表明，类似的塑料发泡胶内部使用氢弹的能量使得触发的材料熔化。“泰勒”和“戴森”认为，是可以同时生产高推力与高速气体。没有其他已知的推进系统能够同时具备两个非常可取的特点。有效的ISP理论上可以高达1万至百万秒。如果计算力对巨大的推盘（瞬间施加），那将造成乘员无法忍受的加速度。因此，减震器系统板之的本身。脉冲能量被传递到减震器以便能够将（短时间巨大的推力）逐步释放为（较长时间与温柔的推力）
【根据冲量的定律，作用的时间越长，作用力就越小，成正比，当总能量没变。】

“猎户座”的研究者建立了一系列的模型，以测试是否能够耐受（化学爆炸物）瞬间的高温度和压力。前几种模式被摧毁，但在1959年11月100米的飞行中，取得的成果是成功的，并表明脉冲飞行可以稳定。在这些实验中还证明，钢板的厚度应在中间最厚与走向边缘的最薄 。

耐久性的板是一个重大问题。每个爆炸不断扩大的温度数以万计K的等离子泡沫可能会对其产生结构上的破坏，直径数百英尺的钢板。他们制定了一项计划，以喷雾油脂（以石墨为基础的）在板之间爆炸。目前还不清楚这一计划会不会被保留在更高版本的猎户座的设计上。大量的工作使用炸药驱动氦等离子发生器观察对板块的侵蚀。该实验发现，板将暴露在极端温度时只有大约1毫秒，在每个爆炸，将出现消融的只有在薄表层板上。期间的高温是如此之短，热量很少流入热板;主动冷却显然没有必要。该实验的结论是，要么铝或钢将是持久的，可以充当板材。


“泰勒”和“戴森”深信，美国航天局研究化学火箭是错误的。“冯布劳恩”的化学火箭在他们的看来是非常昂贵的，与非常有限的有效载荷，燃料的质量基本上是不必要的载荷。“猎户座”飞船的研究者认为这是简单，坚固耐用；体积与有效载荷可以（无限大）。泰勒最初要求从地面发射，可能是在美国的核试验场发射升空。该航天器已被描述为“冰山子弹”， 有16层高。在发射台上组成8个塔楼，每个205英尺高。航天器的起飞重量就有1万吨;该核弹弹射起飞将产生0.1万吨的当量;最初的脉冲爆炸频率将是每秒投放一个微型核弹。为航天器的加速度放慢，到了特定的高度其产量将增加至每十秒2万吨炸弹 。这个模式似乎已经对该航天器的推进控制起来，以便尽量减少在大气内的放射性污染。

人们可以想像，猎户座可作为在极地轨道上的（炸弹平台），它可以攻击地球表面的任何的一个点。它也可以保护自己，对袭击的导弹进行拦截。然而，这一想法同样存在缺点，卫星携带武器的建议本来就存在问题，因为指导空间导弹弹头准确的导航技术尚未开发。美国和苏联都部署了地面导弹，有能力实现其地面拦截目标，使轨道炸弹平台与其无关。


多少土星V才可以火星飞行？戴森说两个;一个简单的检查，出版图纸表明至少有两个，也许是三个，如果船员模块的用意是单独飞行的话。在这种情况下，一个发达国家最想的似乎是一次火星飞行。8名宇航员，大约100吨的设备和用品，可以往返火星125天;最现代化的计划要求的单程时间至少为9个月。另一个令人印象深刻的数字是，核脉冲航天器就可以充当只不过其45%的有效载荷的总重量！然而，如此多的能量，几乎是现有最快与可能的路径之间的行星可能已选定。检查图纸表明，行星着陆器还可以进行了。费用多少？佩德森的1964年估计核脉冲飞船为15亿美元。

冯布劳恩成为热心猎户支持者，但他能够取得任何进展之间的更高级别的政府官员。除了一般禁止核电厂，非常实际提出异议：如果土星附有推进舱与数以百计的炸弹爆炸上应？有可能，以保证没有一个炸弹爆炸，甚至破裂？美国宇航局的理解的恐惧所造成的公共关系灾难促成其不愿提供资金;但是，其办公室的载人航天飞行足够的兴趣，以基金的另一项研究 。

这项打击是在1963年8月签署的核禁试条约，猎户的存在现在违反了国际法。然而，该项目并没有立即死亡。仍然有可能给予豁免可准予的和平用途。然而，另一个问题是，因为猎户座是一个机密项目，很少有人在工程和科学界都知道它的存在。

异形之用心

详细：

猎户座的设计工作将拖放小聚能装药裂变或热核爆炸物的后方的车辆，二百英尺（ 60米）外引爆他们，爆炸的产物将轰击厚钢或铝推板产生难以想象的推力。

大型多层减震器（空气弹簧）吸收等离子体波，因为它触及推板，将毫秒级的冲击波化为几秒钟的推力，从变成乘员可以接受的加速度。推板上的长臂活塞证明是一个最设计最困难的地方。低压气体袋还提出了作为一个主要的减震器。两套减震系统，以不同的频率调谐，以避免共振产生。

某方面的建议似乎不寻常：由于乘员参与热核脉冲爆炸和需要吸收的能量中，需要设计体积与质量较大的航天器设。早期设计的船员舱室和存储领域，有个高大的船体，而有效载荷方面远不是当代的同质量的化学火箭能够比喻地。

猎户座将自带的微型核弹或下跌的'脉冲'来提供推力。聚乙烯，垃圾和污水都考虑用作反应的质量（转化为高能等离子作推进媒介以增加推力。）

推板将安装大型两阶段减震器将瞬间高G加速化为援慢的轻加速。

在起飞，人们关注的危险是爆炸的碎片对地面人员的影响（能量大的爆炸碎片是不会形成大块的而是转化为等离子）。提出的解决办法是使用化学火箭从地面起飞到了亚轨道才进行脉冲推进。

1微秒点火后，伽马射线和中子，等离子将轰击推板。在2-3微秒，能量将转交一些能源给予推进剂，这将推进剂蒸发放射。推进剂将构成一个雪茄形的爆炸。

等离子将降温14,000 ℃ ，因为它走过25米距离的推板，然后再加热至67,000 °C 时，约300微秒触及推板和压缩 。在此温度下会发出的紫外线（略高于可见光的电磁波）。

推板的厚度将从中心至边缘以因素6比1减少，使速度的内部和外部的部分是相同的，即使转移的等离子从中心向外增加。

在低海拔地区的周围空气的密度， γ散射与辐射可能损害船员。长期任务反生存中的太阳耀斑，宇宙射线，陨石等。这需要增加装甲厚度，新材料的应用与产生自身的磁场，由于航天器无质量上的限制，几乎无限大，所以三者都够一起皆施。

稳定性最初以为是一个问题，由于随机误差的投放炸弹与起爆时间与距离等的误差，但后来证明，效果往往会互相抵消。投放器可以是个“机炮”，利用“膛线”将类似炮弹（配有少量发射药）的微型核武平稳平直地发射出去，并精细地设定起爆的时间（为了应付发弹起爆的距离由于受到地球引力与太空微重力的落时差），炸弹的发射不受航天器的速度影响，因为其本身也处在惯性系统中，而加速度是爆炸后才产生的。

洛马普在1959年众多的模型飞行试验（使用常规炸药）进行了。 11月14日，一米长的电缆模式，所谓的“热棒” （或“推杆推”），首次飞行使用RDX炸药（化学炸药）在可控下飞行了23秒钟，高度越56米。实验的记录视频有在网上透漏，该模型通过降落伞降落损坏，并陈列在史密森学会航空和航天博物馆，华盛顿特区里。

第一次提出减震器只是一个环形的气囊。然而，它很快意识到，如果失败而发生爆炸，500千吨的推板将撕裂气囊。因此，分成两个阶段，有弹簧/减震器活塞的设计。在参考设计，第一阶段是机械调谐减震器的4.5倍的脉冲频率（0.1变为0.45），而第二阶段气体活塞进行了调整， 1 / 2倍的脉冲频率（0.45变为0.9）。

基本的设计包括一个4000吨的模型地面发射计划。每个当量为0.15 KT（海平效率）一次爆炸的能量将使得航天器具有30英里每小时（50公里/小时，13.9米/秒）的加速度。爆炸之前，石墨石油将喷上推板以防止融化表面。为了达到低地球轨道（300英里，500公里），该过程将重复约800次以达到逃逸速度。（13.9m/s x 800=11.12km/s)

即使相比，今天最好的化学火箭，甚至其它的核能推进设计，猎户座的潜在的性能是十分惊人的。一个单程的任务就可以为我们运载了一个大型永久性的月球基地所需一切的设备。另外，一个猎户座前往冥王星和返回地球的任务时间只需不到一年，也可作为未来大规模星际移民的运载航天器。
         

猎户座核脉冲驱动器结合了非常高的排气速度：从20,000到30,000米/秒，与兆吨的推力。

因为体重“没有限制”，一个猎户座飞船可能会做的非常强劲与坚固。一种无人驾驶的版本可以容忍非常大的加速度，也许是100G的。而载人的猎户座，必须使用某种形式的具有援冲系统的推板，以平稳瞬间的高重力加速到一定人类可以轻松地承受的水平-通常大约2至4G。

高性能取决于高排气速度，以最大限度地考虑大规模的推进剂。爆炸的产物是以平方根成正比的改变温度（核火球）。由于火球经常实现超过1000万摄氏度的高温而持续不到一毫秒的时间，他们将创造很高的瞬间加速度。然而，实际的设计也必须限制火球的作用半径。核火球随离爆心的远离而成平方根的能量哀弱。

炸弹的形状是反应效率至关重要的。原项目设计的炸弹，以作最大的效率。该炸弹的几何形状（圆柱形）和爆炸产物集中的方向如：X射线和等离子随核爆炸释放袭击的反应质量的方向（将重物质置于炸弹之上面对推板的方向，这些物质会随爆炸而产生微小碎片将携带大部分的动能并往飞行器飞去给予推进，这样做是为了将爆炸能量的利用率提高）。实际上，每个炸弹将是一个核聚能弹。
一枚炸弹在一个爆炸扩展成一个更为有效的（雪茄形的等离子波碎片）。雪茄形状的大部分推进质量影响到推板上。

例如，一个10000吨TNT当量的原子弹爆炸，将等离子碎片的速度约100km / s，和破坏性等离子火球只有100米左右的直径。 1兆吨当量TNT炸药爆炸，等离子体碎片速度约10000km/ s，等离子体火球的直径约1000米

最大有效具体冲动，互联网服务提供商，一个猎户座核脉冲驱动器通常等于：

     Isp = （C0.Ve)/gn

在C0是直因子（爆炸能量作用于航天器的几率），Ve是爆炸产物的速度;这一因素是没有必要，ISP是比冲量n.s/kg , 米/秒） ，gn是重力加速度（9.81米/秒）牛。如果爆心正好在推板表面的话，C0值可以达到0.5（爆炸能量作用率的一半）

较小的炸弹，每个脉冲的周期较短，因此较高的比冲值。规模较小的爆炸也意味着少推板不需要太大的援冲，顺利地加速。

猎户座的最佳炸弹当量（载人4000吨参考设计） ，计算如果150吨tnt当量的微型核弹（航天器加速13.9米/秒），就需要800个炸弹/800秒^-1达到逃逸速度。（13.9m/s x 800=11.12km/s)


猎户座核脉冲火箭具有非常高的性能。猎户座核脉冲火箭使用核裂变脉冲单位来用于行星际空间飞行。

巡航最高的速度，理论上核聚变约8 ％至10 ％的光速的速度 。 原子弹（裂变）猎户也许可以实现3 ％ -5 ％光速的速度。由物质反物质质能转化的脉冲单位将理论上能够获得50 ％至80 ％光速的速度。
【以上均为单航无进行减速的前提下计算，要知道1克质量所具有的能量：89875517873682焦耳；这个能量如果“完美的体现”在1万吨的物体上，那么根据sqr(2E/M)计算这1万吨的物体将有4240米/秒的速度！质量转化为能量跟质量以“光速”运行是两回事，一个携带不到自身质量1%反物质的航天器能够单程加速到光速很大的百分比！毕竟其“比冲值”（提供与燃料初质量相同的力，也就是燃料的质量加速9.81m/s连续的时间，所以排气速度是。）超大（可达1000000秒以上），其排“气”速度为光速，且燃料占航天器的质量显得很小，不会花太多的能量在提供航天器推力的同时也给予燃料本身。】

一种可能的短期技术设想将转移可能撞击地球的小行星。极高的性能将允许其直接将巨大的动能传让小行星，或立刻大幅度地改变轨道或直接摧毁小行星。此外，这个任务不需要载人版本的减震器。

这类航天器可以提供快速和经济的星际运输方案，有效载荷将达几千吨或以上。

在0.1c ，猎户座s将需要飞行时间至少44年才能达到人马座，离我们太阳最近的恒星，所需时间不包括达到这一速度的加速时间（连续不断加速9.8 米/秒越 36天） 。

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弱点：
1）反复接触爆炸引起的推盘消融（侵蚀）问题。然而，经过计算和实验表明，钢推板的烧蚀厚度小于1毫米，如果喷洒油，它没有烧蚀（这是偶然发现的;测试了将指纹印在钢板上，实验后指纹并没有消融，当然实验用的是化学炸药，是不能与核爆炸题相并论的） 。吸收光谱的碳和氢尽量减少高温。冲击波的温度为67,000 °C时，将发出紫外线，而多数材料都对紫外线不传导，特别是在340兆帕的压力板。这样就避免了钢板因吸热而融化或烧蚀。据弗里曼戴森说，在20世纪60年代，他们将不得不在实际执行测试真正的核爆炸，以确定这一问题，而现今的模拟技术可以不在利用核爆炸的情况下实验仿真的效果）。

2.）另一个潜在的问题是，爆炸的碎片（来不及融化的炸弹外壳）将对推盘形成类似穿甲弹的破坏，不过这种情况的比率不大，（只有当核裂变使用高能炸药雷管爆炸来点燃核燃料但燃料并没产生连锁效应时）。
如果在常规炸药引爆核弹，但核爆炸并不点燃（哑弹） ，弹片可能潜在地损害推板。

3）由于利用核爆炸作推力来源，所以负产物将对地面生物甚至大气层构成威胁，电磁脉冲对地面的电子系统产生危害。
不过，必须在电离层（地球磁场）外进行，除非飞船的发射选择极地地区和较高纬度的北极地区，南极洲是不可行的，因为这需要受到法律管制，就如非洲大陆目前的国际野生动物保护协议。每一次的发射将导致平均0.1和1之间的致命癌症的影响。将危及人们的生命，但这不是一个搁置该项目的理由（其中也包括缺乏任务的要求（没有一个人想出把几千吨的有效载荷送入轨道的理由），于是决定将重点放在火箭上。最终，于1963年签署了部分禁止核试验的条约。危及电子系统（电磁脉冲），高空中当量仅为千吨的核爆炸并无造成此方面的的太多影响。猎户座式核脉冲火箭可以在磁层上发射，使产物受困于地球磁场外，而不是返回地球。如果使用氢弹，核负产物可以大大减少，再如果使用“纯粹”的核融合弹负产物为零。然而，一个纯粹的融合弹尚未研制成功。【期待美国的激光脉冲点火实验室能够实现点燃氢燃料球并释放远大于输入的能量。】

4）受到核试验条约1963年的禁止。
解决方法之一是使用某种形式的“干净核武”。该系统使用1克的微丸粒子被激光脉冲点燃产生非常小的融合爆炸，当量只有10-20吨TNT当量。
猎户座核火箭从地面或从低地球轨道推进，就会产生电磁脉冲，可能造成对电子仪器与人造卫星重大的损害，以及累积范艾伦辐射带的高能量辐射量。这个问题可能得到解决：非常偏远无人的地区发射，由于电磁脉冲的足迹将只有几百公里宽，加上地球是具备良好的范艾伦辐射带的屏蔽。此外，一些相对较小的以空间为基础的电动系绳可以部署在空间上，能够迅速弹出从范艾伦辐射带捕捉到的高能粒子。


5）公众的反应不利，即使法律上的困难都克服了，任何使用核武器的可能仍然是一个绊脚石。
假如航天器发射意外，并不会发生大爆炸！

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优点：
1.）速度超快，来往太阳系边缘只是月计。来往最近的恒星只不过半个有生之年（数十年）。

2.）载重量超大，可以提高外壳装甲与乘员保护装甲的厚度，并能携带各种设备设施（包括人造重力旋转舱，人造向外磁场，核反应堆供电，绿化区，人造室内农场等。。。），比人类造出过最大的火箭的有效载荷要大得多，理论上可以逻辑的“无限大”。

3.）系统惊人的简单，无需主发动机及派生的部件，故障率较小。但还是具备转向用的高能化学子发动机。

4）体积超大，内部空间可以布置地具有未来感，简洁，舒畅与结实。

5）由于减震器的作用，乘员感觉不到脉冲式的推进，而是感觉到好像平稳的加速前进，适当的加速度还可以形成一个临时的重力场以防止乘员们长期处于失重中，加速停止就完全失重。

当然别以为它运行时很难看，远看就像“携带着不断有规律闪亮的小星星在尾巴上炫耀”。
这类航天器目前只有工程与政治上需取得进展，一旦解决了就可以开始建造，将来或许在月球上建造/起飞。


其实减速的过程是相当浪费燃料的，有种办法：
将飞行器对准某个大行星的大气层（类似木星，土星，天王星，海王星的大行星），并与大行星绕恒星的轨道方向同步以减少相对速度，后利用稠密的大气层作减速媒介（最好处于背向恒星寒冷的一面）使用一种耐热金属盘作刹车器。惯性速度由于与大气摩擦将大大减少（可能必须牺牲融化掉作为隔热带热媒介的厚金属盘，因为可以就地取材再造，超高温可以利用于发电存储，乘员舱具有多层保护其中就包括隔热舱），这时航天器仍然还有很大的惯性速度，不断调整航线再使用大行星的引力不断减速！！！（使用大气与引力减速中也必须同时开启反向发动机。）最后或许大行星拥有的强大磁场能够被利用，如果航天器本身能够发出磁场的话，那末来自大行星的磁场会对其产生一种即排挤又捆住的状态形成捕捉力（参考迈斯纳效应）进而达到截停余速的目的。显然的风险很高（撞击或脱靶）对控制技术有着困难的挑战。总之就是巧妙的最大限度的利用空间的资源，大大减少减速所消费的燃料。这些减速方法可能为未来的恒星间旅行者采用的方法，前提是必须通过观察与探测其太阳系内部的环境后才详细的制定策划宇航的路线。
到达目标行星时可以整个降落在星球上。这类核脉冲飞行器30年内就可以建造并大规模投入使用！！！



[ 本帖最后由 异形之用心 于 5-7-2009 09:18 PM 编辑 ]

超清晰

附上一些图片

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（百度的图不能传贴 ）