美国运载火箭尺寸对比示意图


苏联运载火箭尺寸对比示意图

美国火箭和飞船主题公园

　　遨游太空，自古以来就是人类的梦想，但如何实现这个梦想，至少在60年前人们还没有一个明确的答案，不过现在每个人都知道了，我们需要靠火箭。但这真的是最佳选择吗？现在还有很多疑问。

　　是的，火箭曾经把第一个走出摇篮的人类——苏联宇航员尤里·加加林带到太空，完成了环绕地球的壮举。在这之前稍早一点，也是靠了火箭，人们发射了第一颗人造地球卫星。 1969年，还是利用威力无比巨大的“土星五号”火箭，美国宇航员们成功地踏上了月球表面，留下了那著名的足迹。如此看来，火箭应该是，至少现在还是人类进行太空探索的惟一有力工具。然而在越来越艰巨的任务面前，它似乎开始显得有些力不从心了。

　　火箭的原理其实非常简单，牛顿早在17世纪就很清晰的描述了它：如果你以一定速度向后抛出一定质量，你就会受到一个反作用力的推动，向前加速。简单的火箭甚至早在牛顿提出这一公式前几百年就在中国发明出来，并得到了应用，这既包括军用的火药箭，也包括节日庆典的烟花。

美国火箭主题公园中展示的早期实验火箭(前立者)和阿波罗登月计划所用的“土星5号”火箭(后立者)


美国一处博物馆决定将火箭和古堡同台展示

　　问题在于火箭所用的燃料。燃烧是一种剧烈的化学反应，它会放出一定的能量，同时产生大量气体。就是靠了这些气体向后高速排出，火箭发动机才能获得推力，而加速这些气体所需要的能量，自然是来自燃烧。于是我们可以很简单地计算出来，火箭发动机所能达到的最高速度，与燃料燃烧放出的总能量、燃料质量、火箭最终质量和燃烧能量转化为喷气动能的效率等因素有关。

　　许多年前，教师出身的俄国科学家齐奥尔柯夫斯基就作过这一计算，但他得到的结果并不乐观：人们可能不得不依靠半途丢弃部分火箭结构以减轻重量来达到第一宇宙速度，每秒约7.9千米。正是这一设想导致了多级火箭的发明，目前世界各国承担航天发射任务的，全部是多级火箭。

　　为了发射1000克物质到地球轨道，人们需要付出的代价是如此昂贵，这一切都是由于化学火箭燃料本身的能量不足，然而目前最先进的氢氧燃料已经是所有可用化学燃料中比能量最大的，单纯从化学反应的角度，已没有潜力可挖了。(比能量：单位质量燃料完全燃烧放出的能量)

　　怎么办？解决的出路只有一个——放弃现在的化学火箭原理。那么，我们又靠什么方法进入太空呢？科学家、航天工程师、各类技术专家和业余航天爱好者们许多年来提出了无数的方案，其中不乏闪光点。

庞大的B-36曾被作为核动力飞机的候选人，但最终还是放弃了

　　好了，也许你已经看出，前面关于“星际快帆”号的描述很多目前还只是科学幻想，甚至很有可能根本无法实现。随着第一名中国航天员于2003 年进入太空，以及美国、欧盟等提出重返月球、探测火星等雄心勃勃的计划，新的一轮太空竞赛，已经在21世纪初开始。这一次，我们希望它不再是冷战中两大国间国力和技术的互相炫耀，至少不仅仅如此。我们希望，由这次竞赛开始，人类将真的开创出一个辉煌的大宇航时代。

核火箭发动机原理图


激光核聚变示意图

　　原子核中蕴含的能量被发现以后，一方面立即被应用于军事，另一方面很多人也开始了和平利用原子能的尝试。核电和核动力船舶很快就投入实用，但核动力飞机的尝试却失败了，因为大多数飞机无法运载一个庞大的反应堆。50 年代，美国人终于造出了像B-36这样确实能装上一个反应堆的大型飞机，但这个机载反应堆的功率输出却很难满足驱动如此庞大飞机的需求，因此美国不久后就放弃了把B-36改装成核动力飞机的计划。为什么明明能量巨大的核反应堆驱动飞机时反而不如普通的化学燃料发动机呢？这都是因为在目前的技术水平下，原子能转化成动能的过程太复杂了，以致效率低下，或者用术语说，是功率密度不足。通常的船用核反应堆采用了所谓两回路方式，第一回路直接从高放射性的堆芯中吸收能量，被加热后把热量带到堆芯以外，加热第二回路中的水，产生蒸汽推动蒸汽轮机先发电，再用电力推动船舶，或是直接通过减速齿轮机构带动螺旋桨产生推力。然而用这种方式驱动飞机无法得到令人满意的效果，因为整套装置太大也太重了，多余的体积和重量完全抵消了大功率带来的好处，结果装了类似船用反应堆的核动力系统后，飞机根本就飞不起来。此外，对于飞船，最终的功率输出也不能靠螺旋桨，因为在太空中根本不能指望空气的反作用力。

　　功率密度

　　一个产生动力的装置，单位体积或单位重量能够发出的功率，分别称为体积功率密度和重量功率密度。核反应堆虽然功率强劲，但功率密度确实比较低

　　为了在火箭上应用核动力，新的推进原理必须首先开发出来，而且不能借助于螺旋桨这样依靠外部物质，如空气或水的反作用装置。一种核动力火箭的设计图是这样的：首先利用反应堆加热水，让它变成蒸汽，然后高速蒸汽喷射出来，推动火箭。这和苏联科幻小说家设想的“蒸汽原子飞机”有些相似，但作为火箭，必须自带大量工作物质的缺点仍将使得利用原子能加热带来的优点基本被抵消，因为背着大批水上路依旧是个沉重的包袱，而且从水到蒸汽的转换过程浪费的热量也太多。最后，环保组织也一定会反对这一方案的，因为它取消了两回路模式中高、低放射性区的分隔，从核发动机中喷射出的蒸汽必然是高放射性的，会造成严重污染。

　　采用氢气作为核动力火箭的工作物质可能是更好的解决方案，液氢已是最常用的火箭燃料之一，火箭携带液氢基本上没有技术难点。利用核反应堆加热氢，只要其最终喷射速度达到或超过目前氢氧火箭发动机的喷射速度，相同重量的火箭就能工作更久，也就可以把火箭最终加速得更快。这里只存在两个问题：首先，火箭的最后重量中包括核反应堆的重量，因此它必须尽可能轻。超小型核反应堆目前已能实现。此外，如果在外太空使用，可以不考虑放射性残余物的问题，简单到只有一个质子的氢核也比较不容易产生感生放射性，于是屏蔽层可以作得薄些，喷射出的氢气也可以直接流过反应堆芯，这样就可节省下不少重量，当然环保组织可能还是会反对这个设计。第二个问题看似简单，解决起来却不容易，那就是如何让被加热的气体高速向后喷出。这是个热能转化成动能的问题，其实也是喷气推进技术方面的一个核心问题。目前，已基本研制成功的超音速冲压喷气发动机会是一个很好的借鉴。

　　感生放射性

　　物质由于处在高放射性环境中，受到辐射，使原子核发生变化而产生的放射性

　　以核裂变型反应堆为基础的原子能火箭构想已基本成熟，主要存在的问题是缺乏投资和实质性的需求、能达到的最高速度仍然有限以及环境污染等。如果受控核聚变技术能够实现，并且可以小型化，那么也可以用核聚变反应堆当作火箭动力，采用的工作原理则基本与上述方式相同。由于核聚变产生的能量远远大于核裂变，相同重量的核聚变燃料能够运行更长时间，并把火箭加速到每秒100千米以上。目前，用激光束照射核燃料，使之在燃烧室内发生核聚变反应的实验已接近成功。这种激光核聚变反应堆不需要大尺寸的约束腔容纳反应物，也不需要外加强磁场，小型化的前景比较好。因此，或许我们可以期待采用这种原理的聚变核火箭出现。此外，采用磁约束达到高温的“托卡马克”装置最近也取得了较大进展，虽然这一装置较庞大，而且需要超导磁体来产生强磁场，但如果是用于几千吨级或更加庞大的星际飞船，也是可以考虑的，它的好处是易于长时间高负荷连续工作，因为在激光核聚变堆中，燃料小球烧完后必须停止工作才能重新装填。 [新浪]