核動力宇宙飛船可能存在嗎（物理專業）？

11-29

目前已知的太空飛行器都是靠噴射工質，依據牛頓第三定律的反作用力來提供動力，這種方法提供的動力完全無法滿足星際航行。
而太空中幾乎沒有介質，用輪子、螺旋槳之類的東西也不可能。
如果像科幻小說中描繪的未來發明了核動力飛船，那麼它的動力是什麼，依靠什麼原理運動？
是否存在其他的動力能推動宇宙飛船？
是否必須依靠噴出工質來提供動力？

你好，題主！
首先，你提到了牛頓第三定律：作用力和反作用力。沒錯，其實也就是我們高中所學到的動量定理！但是，我們高中同樣學到了，不僅僅物質有動量，能量也能產生動量！能量產生的輻射：電磁波就具有動量，因為我們知道光具有波粒二象性。所以我們只要專註於怎樣在宇宙中製造能量就行了，並不需要在屁股後面噴射氣體。

新一期的PBS space time給出了5種以現階段科技的視角，最有可能的星際旅行的方式：
https://www.youtube.com/watch?v=EzZGPCyrpSU
為翻牆無力和英語一般的同學做搬運工：
這裡樂觀的討論了在我們目前科技下非常可信的星際旅行技術，當然，即使科技到位，組裝這樣的飛船（通常在軌道上）需要大量的資源，政治合作，還有巨大的專註。這可能是最難逾越的障礙了吧？我們還在跨國公司利益，意識形態，甚至宗教這樣可悲的話題上有著巨大分歧。

最近的目的地（恆星系）：半人馬α（南門二），4.4光年

1. 傳統燃料：這就是題主所說的，借用物質的動量定理完成的，「原始」的旅行方式。

目前最快的人類航行器：阿波羅10號，約40,000Km/h，你需要大概120,000年才能抵達半人馬α。
一架傳統燃料宇宙飛船的最大速度取決於：排氣速度，燃料總量和飛船總質量。如果需要在人的一生中到達半人馬阿爾法，我們需要光速的10%，按照傳統火箭的排氣速度，我們的燃料箱的體積將超過可觀測宇宙的體積。

2. 所以自然的，我們想到了快速排氣：爆炸般的，高效的，就如題主提到的，核動力。

這裡暫時不考慮受控核聚變，因為在太空中，穩定核聚變和核爆炸帶來的反衝量並沒有本質區別。我們要將飛船3/4的質量裝30萬枚百萬噸當量的氫彈。在飛船的屁股後面方鞭炮般的一個個引爆，一個月內，我們可以達到光速的10%。40年後達到半人馬α。但是這是基於我們不需要減速的情況下的，但是我們不能10%光速的急剎車啊！所以我們還要預留核彈來減速，所以我們需要大量的彈倉和一定的減速時間。大概60年的時間，我們需要在太空中養育一~二代人，我們只能祈禱他們健康了！

3. 正反物質湮滅（開始有些科幻了），

最大的難度是製備和儲存反物質，我們現在智能在大型粒子對撞擊中產生反質子。然而要到半人馬阿爾法，我們需要成千克的反物質。假設我們成功，製造的介子火箭，非常有可能把我們的速度加速到0.5倍光速，甚至0.8倍光速。按照廣義相對論，高速慣性坐標系的時間會被拉長，我們只需要3.3年，就能抵達半人馬α。

4. 光帆：想必大家在高中物理題中都已經做爛，基本原理就是靠反射光，得到光子的動量來加速飛船。我們需要一張巨大的光帆，和月球基地上的巨大核能驅動激光設備。0.1倍光速是非常有可能的，但是這個方案，在另一端降速是個大難題。

5. 人工黑洞發動機！！強大的激光集中於一點，這樣的能量足夠改變空間局部的時空曲率，理論上可以製造出一個理論奇點！個頭非常小的黑洞的「霍金輻射」是非常巨大的。
Hawking radiation

我們需要製造6000億千克的小黑洞，也就是差不多兩千個帝國大廈壓縮到一個質子的大小，能夠造成黑洞。這個黑洞在3.5年內蒸發，一共會釋放160千億億瓦能量。這將是我們最快的選擇，也是最酷的！但是最大的問題是，我們的激光需要比黑洞本身更加強大，這是理論上可行，但是距離我們還非常遠的科技。

這五個選項中，加入考慮到我們現有的科技水平，準備的時間，和旅行的時間加起來。那麼實現最快的，無疑是光帆選項：假設我們現在成立聯合政府，齊心協力，45年後準備好。差不多100年後，我們的宇航員就能到達人馬座α了！

核動力航天器主要有兩種，一種是純粹的熱核火箭，原理是利用反應堆生熱加熱工質，噴出，利用反作用力推動飛船。
原理與化學火箭類似，燃燒室溫度也和化學火箭在一個級別(其實還略低)，只不過熱源是核反應堆而不是化學反應產生的熱量。不過由於工質可以上分子量最小的氫氣，比沖可以達到氫氧火箭發動機的2-3倍。
這種方式由於溫度限制，比沖不高，核反應產生的絕大多數能量無法作用於工質，但是推力較大，可以用於火箭入軌的上面級。
還有一種本質上是電推，只不過使用空間堆進行發電，比沖就是電推的比沖水平，因此比熱核火箭發動機比衝要高。但是推力要小很多，所以只有在入軌後才能使用。
此外美國還計劃有一個獵戶座，原理是爆核彈，回頭再更。

要實現超遠距離的星際航行，我想應該首先避免t=s/v這個公式

用一個簡單的方式解釋下獵戶座計劃，和阿波羅同期的計劃，只不過流產了。
就是不斷地引爆小當量的核彈，然後再放出一些固體圓盤，用核彈蒸發掉塑料，然後氣體中的一部分打在火箭底部，產生推力。概念圖是這樣。

不過這麼搞似乎對能量的利用率太低了。
要我我就設計一個漏斗狀的火箭，然後爆炸核彈，這樣包圍住這些氣體，使利用率變高
順帶畫了個圖

就像這樣，爆炸，然後我腦補了一下，感覺像是在放屁，不斷地產生推動自己的氣流。

當太空船被發射升空後，太空船尾部每隔10秒鐘就要爆炸一顆相當於2萬噸TNT能量的小型原子彈。

十秒鐘放一個屁，這畫面太美我不敢想
畫圖功底有限。
也就算是抖個機靈

樓主你知道嗎，電磁輻射也是有動量的呢。
比方說你拿著一個手電筒向前照射，手會受到一個非常微小的向後的反作用力。
無工質的核動力火箭就可以用這個做為原理，你就當它是一個超級巨大的手電筒（當然主要波段不是可見光）就好咯。
其他動力目前都實現不了，然後科幻小說中的其他動力飛船看小說說它是什麼動力就是什麼動力唄，殭屍永動機也成啊。。。

用核動力來燒開水，用蒸汽驅動飛船前進都行……

用高中數學對無工質推進作如下推導：
假設此時的推進劑為光子，則：
動量守恆：p(飛船)+p(燃料)=0，即p(飛船)=m（燃料）v
設燃料是光子，E=mc^2，v=c
得：p（飛船）=E（光子）/c

我家燈泡100瓦，安在飛船上最多能夠提供3.3*10^-7N的力，把一個質量50kg的我從低地球軌道送到逃逸軌道需要在近地點累計加速500 000 000 000秒=15 000年（不計空氣阻力），需要能量50 000 000 000 000焦耳。合1 193 317千克TNT

換成45噸的阿波羅飛船，光子推進加速3.3km/s需提供100 000噸TNT當量的能量。比較之下化學火箭土星五號第三級僅重120噸，卻能將阿波羅飛船從7km/s加速至11.2km/s。

得出結論：無工質推進比沖高，但能量消耗大，對推進器功率要求高。沒有極大豐富的能量作為支撐（如高票答案中的各種腦洞）還是算了吧
註：光帆對激光能量要求同樣很高，不過支出能量的不是火箭而是地面的激光器

話說如果哪天能量極大豐富，幹嘛要當燃料燒了呢？直接幫人類進入共產主義吧。

太暴露年齡，匿~

阿妹例假已經有實驗了，題主可以自行百度：代達羅斯—先驅計劃

原答案：核動力飛行器早已經普及了，七十年代的旅行者號就是核動力的。最近比較火的冥王星探測器新視野號也是核動力。
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經答友更正，應該是核電池而非核動力，核能用於各種設備所需電力，而非飛行動力，動力依然是化學燃料。

有介質，只是很稀薄。
設想中的星際衝壓發動機是最接近現在技術水平的、可以達到亞光速的宇航方法：用巨大的電場收集前方的星際介質，進行核聚變之後噴出。

以10km/s噴射物質和以1000km/s噴射肯定不一樣，考慮極端情況，以接近光速噴出一個質量很大的物體，可能就能讓飛船到達很快的速度，實現星際航行。(這個例子可能糙了點，但原理是這樣)

一切的一切都需要有巨大的儲能裝置做保障，而核能是目前已知的較有可行性的儲能方案。

真正的黑科技，恐怕是反物質儲存設備了吧

題主是看了三體想來談論無工質可控聚變發動機吧？
建議把齊奧爾科夫斯基火箭方程拿過來看看，你會發現無工質發動機其實不如有工質發動機的。

還是說一下吧
火箭速度增量=工質噴出速度×In(火箭運行前質量/火箭運行後質量)

實驗核引擎美蘇都是有過的，也是有工質，噴射的速度比常規引擎高而已。

其實如果用聚變產生巨大能量，把氣體以接近光速噴出，可以產生任意大的動量。

估計e=地球*c*c的能量也不夠把人在幾十年這個量級內推出本星系，依靠化學火箭估計到臨近的恆星都沒有太大希望。更別說還有通訊問題，雙生子問題等等連想都沒想明白，所以別想那麼遠了吧，手機不好玩兒嗎？酒不好喝嗎？

前蘇聯在上世紀60到80年代就曾經發射過大約30顆核動力衛星～，宇宙1402還墜毀了，安全性依舊是問題～

美國有個計劃把科學家用核動力送上火星，後來項目因為核安全的問題被砍。但是現在參與的眾多科學家都還沒有泄露內容。

PTBT CTBT
除了理論上的可能性，我還得告訴你實際可操作性

核動力火箭發動機曾經存在過。NERVA發動機，上世紀60年代NASA的產物，採用核裂變反應堆，工質為液氫，真空比沖850秒，真空推力34噸。已經成功進行地面測試，但後來項目被砍。

光子有動量

可能存在
《三體》里提到的三體人的太空艦隊是用的反物質湮滅獲得動力