核技術應用於航天的方式?

11-29

題主大一，為了一個航天夢想報了航空航天類學校……可惜分不夠，跑到了核專業。轉專業是另一個考慮方向，但是很想知道:核技術與航天能不能有更多的交集?就目前專業導論課上了解到的和自己的了解，核技術與航天的交集主要出現在月球車火星車的核電池上……似乎有點少，個人認為核技術在航天（其實在各個方面）應該有更多的用途，但是沒有（或者很難找），希望知乎大神解惑

ps:很想通過這個問題的答案找到自己努力的方向。大一剛過了一半，真的發現了隔行如隔山，不同專業學的東西大相徑庭（說是大一學的基礎課，但是連基礎課都不一樣……讓人很難受，好像失去了方向一樣）。我是抱著航天夢來到的航空航天學校，真的不想把這個夢藏在心裡……如果核技術也有以後能去從事航天事業的機會的話，我相信我會更加有鬥志去學習我的專業；如果沒有的話，我只能盡全力轉專業了(*￣︶￣)

核技術在航天上的最基本的應用是當熱源，太空溫差大，對於有晝夜間隔的地方更蛋疼，來比如月球，夜間溫度能降到——183℃，而月球一個晝夜27天7小時，在月夜的低溫下凍上將近13天半對於航天器來說就很是問題了，所以就需要個玩意加熱保證溫度不會凍壞設備，這就用到放射性同位素熱源了。放射性同位素熱源火力旺盛且持久，下圖是一個已經燒到紅熱狀態的二氧化鈈熱源。

放射性熱源在很多航天器上都有應用，例如我國的嫦娥號探測器跟玉兔號月球車，很多衛星跟探測器上也有。阿波羅11號上也有個放射性同位素熱源，後來覺得這樣只用來取暖挺浪費，這就進化成了下面要講的核電池

光加熱還不行，能發電更好了。放射性熱源外面套一個電熱偶這就是通常講的核電池了。核電池功率大而且供電穩定。下圖為阿波羅14號乘員拍攝的在月面部署的探測器供電的SNAP-27核電池，與阿波羅13號損失的那枚相同

對於很多深空探測的探測器，飛的離太陽越遠太陽能帆板產生的電能就越小，這顯然是不能接受的，核電池這會又顯示出優越性來了，人家不用曬太陽。下圖的黑色棒狀物為新視野號上的核電池

好奇號火星車也用了核電池，火星上容易起沙塵，污染太陽能電池板造成功率下降，採用核電池獲得持續穩定大功率的電力供應，裝在尾巴上

順便一說，為了安全跟滿足散熱，核電池一般都要發射前才最後塞到火箭里

核電池看起來不錯，但是電熱偶效率極低，如果需要再大的功率就要用空間反應堆了。空間反應堆有三種，一種是加強版的核電池，把核電池的放射性同位素熱源換成核反應堆，火力更旺盛，還是燒電熱偶。另一種是熱離子反應堆，它利用的是熱離子發射原理，用反應堆加熱發射極，當達到溫度後，電子從發射極被蒸發出來，然後就跟電子管一樣找個陽極板接收產生電流。熱離子反應堆的功率跟效率都比電熱偶搞一個數量級。貼個日文的熱離子反應堆結構圖湊合著看一看吧

這種很有前途的熱離子空間反應堆美蘇都搞過，但是美帝只是把反應堆送上太空測試，蘇修是真正在航天器上用過。下面兩張圖上面的是美國的SNAP-10A下面的是蘇聯的топаз-1

美國的SNAP-10A不太成功，65年發射升空，在軌運行43天就掛了，地面的模擬堆倒是運行了一年。蘇聯的空間反應堆應用比起美國就很成功了，各種型號的核反應堆供能的航天器射了多達37個

貼個表格

冷戰期間蘇修海軍的頭號問題就是打航母，要打航母首先要先找得著，所以蘇修搞了雷達海洋偵查衛星，這種衛星需要大量的電力並且還要工作在低軌道，在當時的技術條件下用太陽能帆板電力不夠不說還會受高層大氣影響增加巨大的阻力，顯然是不可行的，於是蘇修就上了熱離子堆。衛星長下圖這樣

空間反應堆為了省重量裝的是高濃度的濃縮鈾，衛星壽命到期了或者衛星故障了反應堆砸回地球就麻煩了，毛子的打算是工作結束之後衛星跟反應堆分離，衛星再入大氣層燒掉，火箭發動機把反應堆送到高高度的墳墓軌道，但是反應堆輻射非常旺盛，旺盛到毀衛星設備的程度，升軌經常失敗，最後終於有顆衛星失控出事了，這就是著名的宇宙954，墜毀在加拿大，造成了大範圍的放射性污染。

還有一種空間反應堆形式就是熱機，這個就跟地面上的核電站很像了，反應堆燒工作介質，膨脹做功，然後冷卻回收利用。下圖是NASA計劃的月球反應堆

反應堆埋在地下來屏蔽輻射，反應堆加熱工質驅動一個蒸汽輪機或者斯特林機發電，然後通過散熱帆板冷卻回收。不光月球，NASA還打算在火星上用

這種熱機反應堆顯然比熱離子堆功率更大，但是重量也更大，而且有運動的機械部件一定會帶來可靠性的降低，怎麼取捨就看需求了

最後再說說核火箭發動機，這玩意很早就有了，60年代美蘇都折騰過，美帝的成果是NERVA

蘇修的成果是RD-0410

毛子的看起來比造型較奇怪是因為毛子把地面測試用不著的噴管省略了

以美帝的NERVA來講講核火箭發動機大致的工作原理，發動機主體是一個反應堆，工質流過反應堆加熱，噴出去產生推力

核火箭發動機的工質一般是液氫或者液氨，選這倆的原因是密度小，液氫比液氨密度更小但是液氨可以長期儲存適合軌道工作。由於工質密度小所以核火箭發動機可以做到很高的比沖，碾壓化學發動機，但是受反應堆的重量拖累推重比一般，用作地面起飛級基本不現實。

需要說明的是不管是美帝還是蘇修，他們的核火箭發動機都是經過實際地面試車測試過的，下圖為NERVA發動機試車的照片

切洛梅抽瘋搞過一個UR-700A火箭，這是一種計劃用於月球任務的核火箭

非常具有坎巴拉風範，注意圖中三四級火箭滿滿都是液氫的燃料罐跟罐子後面的RO-31發動機，這玩意是RD-0410的發展型

火箭發動機測試時照片

看起來很壯觀不是？但是蘇修頭頭們也不傻啊，這麼胡鬧的玩意理所應當的黃了

但是核火箭發動機為啥沒有實際應用呢？因為貴，危險，輻射大。當然，這也不是不能克服的，問題是無人的深空探測都搞成今天這種雞賊樣，核火箭發動機面向的載人星際飛船也就是想想拉倒了。

總結一下，應用最廣泛的空間核裝置是放射性同位素熱源跟核電池，特別是熱源更為普及，隨著太陽能電池技術的發展效率的提高，核電池的功率優勢正在逐漸降低，NASA的朱諾探測器就用巨大的太陽能帆板替代了核電池，核電池的優勢正在逐漸變為輸出功率的可靠穩定；空間核反應堆有可能在日後的載人深空探測上獲得應用，但是需要解決輻射過大的問題，一種新的思路是將核火箭發動機跟電熱偶或者熱離子堆結合起來，即用來推進也用來發電，這種有可能是個比較理想的方向。

至於獵戶座核火箭這種扯淡玩意看個熱鬧就好

謝邀，作為一個航天領域的小小白，希望能為學弟分享一下相關的知識。不管怎樣，現在交叉學科越來越發達，學好你的東西，肯定是沒問題的！

關於核技術在空間探索里的應用，主要有如下方面

1. 核能電池

核能最大的特點是能量密度超級大，可有效利用的周期非常長。這就符合了航天領域的眾多太陽系探索任務需求，這些探測器動輒飛行數十億公里，耗時數年甚至數十年，採用傳統的一些能源根本不靠譜：
a. 化學能；需要攜帶大量的燃料以提供動力，導致探測器的設計有效載荷大大減少，而人類火箭發射能力也有限，此路不通；
b. 太陽能；對於外行星（地球向外的火、木、土、天王、海王）甚至更遠的空間，太陽能的密度急劇降低，無論攜帶多大的太陽能電池板都無法有效收集能量，此路也不通。

那麼，人類掌握的能量里，核能就突出了。一個標誌性的發明是放射性同位素熱電發電機，它的基本原理是利用放射性同位素的衰變過程產生的能量。深空航天器一般需求的能量級別在100-200W左右，攜帶一個核電池足以維持。最經典的莫過於鈈-238的熱核電池，這個應用的範圍忒廣了！！！

阿波羅登月12-17號飛船

人類四大太陽系使者：先驅者10號和11號，旅行者1號和2號

最早的火星著陸器海盜1號和2號

各種高大上的太陽系內探測器：新視野號、伽利略號、尤利西斯號、卡西尼惠更斯號，都在用

還有一些近地飛行的長壽命衛星也使用了類似電池，但主要蘇聯人做的多一些。

這種核能電池的壽命實在太長了，旅行者1號和2號都帶著它飛行40年了還妥妥的在工作。

鈈-238的半衰期在89年左右。按照估計，已經飛出太陽系邊界（Termination shock）的旅行者1號還可以繼續飛行10年並保持與地球的聯繫，真是恐怖啊！它已經是離人類最遠的航天器，現在要追上它，光速也要17個小時了。

2. 核能火箭

火箭的發明意義重大，一句話概括就是它使人類從海洋時代進入太空時代成為可能。在化學燃料火箭發展如日中天的同時，人類自然也不忘記發展核能火箭，還是因為它的優點：能量密度超級大。轉換成火箭語言便是比沖非常高，轉化成科普語言便是艾瑪老有勁兒了！

因為即便現階段最好的化學火箭發展也有它致命的瓶頸，假如無法利用核能火箭，人類的極限恐怕也是百噸級的東西推離地月系統，這個對於星際探索而言遠遠不夠。

目前提出的利用核能總體方案（很不幸，並沒有做出來成品過）有兩種方式，
一種是核彈火箭！

這方案提的很早，大概就是不斷在火箭尾部點爆小型核彈，產生反衝力，著名的獵戶座項目（Project Orion），上世紀50年代就提出了。

但肯定不靠譜啊，這麼小範圍的可控核爆，人類直到現在也沒掌握，根本不行，很快下馬。

後來又有了第二種方案，穩定核反應堆，加熱氣體（氫氣）產生推力

典型的是70年代的NERVA項目，它直觀的應用是取代土星五號火箭上的發動機，獲得更大推進效率，理論上能直接在美國登月後實現下一步載人登火星。其實有一定可行性，因為當時小型核反應堆都已經造出來了，比如核潛艇核航母等。而火箭技術也日趨成熟，畢竟人類歷史上最強大的機器土星五號已經被美國人玩得很溜了。

但隨著阿波羅登月被終止，經費緊縮情況下必要性有限，關鍵技術也確實沒有突破，另外一些火星探測任務也確認完全沒必要載人登火星。這個發動機在做了預研和測試之後發現難以突破瓶頸也就下馬了。

當然不止這兩個計劃，可總體上都是人類技術還沒達到，沒有可行性。脫離冷戰和星球大戰的背景，各大國也都失去研究動力了，目前人類都是圍繞靠譜的化學火箭繼續打轉。

但我個人認為核動力火箭是人類未來的必經之路。而可控核聚變則是解決問題的核心所在！

3. 核輻射對於航天製造的應用

（X射線檢驗火箭燃料箱）

利用射線進行金屬和其他材料探傷，應該是種比較基本的應用了吧。在航天領域亦是如此啊，尤其那些對回收應用要求比較高的，太空梭、固體助推器、Space-X的回收火箭等，都需要全面體檢一下材料是否出現了問題。

常用的射線探傷都跟核輻射息息相關，α粒子，β粒子，γ射線，X射線，中子射線啥的，估計你也學了挺多了。

在這裡講個小段子：我一個朋友做中子射線探傷的，太牛逼了，發nature、science那種人，跟老婆求婚買了鑽石。別人買鑽石感覺是否虧了都詳細研究4C啥的數據，人家簡單，直接拿實驗室里用各種儀器，各種射線照了照，寫一份報告出來，後來結論是：並不虧基本符合各種指標，我擦嘞，知識就是生產力啊！

關於核技術在航天方面的應用，我這肯定不全，很多擴展和輔助的應用都沒講。但光這些就足以讓你好好學習專業知識啦，核技術在航天應用會越來越廣，你好好學習！

資料來自：
維基、NASA官網等

美國在冷戰期間發射了一個實驗性的小型核反應堆，可以給對接的飛船充電。（當時的電池技術和太陽能板技術都很差）

結果第一根燃料棒都沒用完就出了故障，發不了電，也沒法維修。（就像日本「文殊」快堆一樣）沒人敢讓它再入大氣，只能帶著十幾根燃料棒在軌道上轉。

後來電池和太陽能板技術進步，足以滿足飛船/太空站的需求了，太空核電站的後續計劃就下馬了。

核技術在航天里主要是核熱推進和核電能源兩種應用。核熱推進就是利用核裂變的熱能加熱氫到3000K高溫，然後噴出，獲得900s左右的比沖。美帝上個世紀60年代就已做出原型機了，請搜索nerva。核電主要是給航天器供電，小功率的有很多應用。大功率的本質也是核熱，只不過不加熱噴氣工質，而是用閉式布雷頓循環發電，功率可達兆瓦級，可用於電推進。

十五院的趕來答題。
首先我們學院的大一基礎課程和你認為的航天真的沒有什麼直接關係，無非多了一門導論課，上課講些入門知識(低段位愛好者的水平，而且許多人不聽)，甚至大部分學生不知道SSO，GTO，LEO的含義，大家在學科上的分化遠比你想到小，小到幾乎沒有。
核技術在航天上的應用前幾位大神答的很詳細了，我不再多說。我的一位老師說過，航天就是一個背景，是把地面上的科學技術放到太空如何應用的學科。許多學科都可以參與到航天之中，而不僅僅是狹義的航天專業，事實上我們學院的許多老師就有六院材料出身。
題主喜歡航天是好事，在現階段學習好基礎知識，如果以後還對航天有興趣，完全可以考研時選擇航天方向(如果想大二轉到我們學院也歡迎啊)。

目測是我直系學弟？
沒關係沒關係，學到大二專業課開了就知道啦，大三之後會有不少和航空航天相關的專業課，比如空間輻射環境工程，空間輻射防護技術，核電子學
不要一提到核技術在航天方面就想到能源啦，宇宙線，南大西洋異常區，空間輻射，伽馬射線暴這些你都曉得不，本著哪裡有問題就解決哪裡的粗暴思維，相信你會自己發現更多核技術的應用
思維再跳一點的話，ADS可不可以應用在航天上呢？量子通訊什麼的也挺有趣的樣子
老實說作為一個開學就轉走了結果又回核系的學姐我覺得
咱們核系比你想像得更可愛，不要動不動就轉系嘛，當然了，興趣最重要，如果實在想轉系，問問一院二院十五院的學長學姐們他們的看法吧

話說大一能有什麼課不一樣的，只能想到專業導論課不一樣，或者有些課程用的是英語授課還是中文授課的區別

打個茬，國產的003號航母不是要說核動力嘛

你可以保研跨專業有興趣可以同時修兩個專業

核技術在航天中的應用其實是很多的，而且這些應用都是其他方法和技術無法比擬的。

使用可控核聚變會更好些吧

不由得想起老美以前有個飛行器的設想，在進入太空後每秒引爆一枚核彈，，，當然，肯定沒有實現。
不過你才大一，講真，本科的課程只是個基礎，並不是你去了飛行器設計這個專業就能造火箭了。大學裡更重要的是堅持學習的習慣和態度，要學會自學，因為一方面很多老師老師是拿書就講，另一方面以後的工作和專業相關度並不強，需要自學。
航天是一項涉及面很廣的事業，從零部件的焊接到電路設計，從燃料比例到數據測量，每個專業都有一席之地。
學核也挺好，我周圍學核的同學基本都直博了（因為人少呀2333）有問題的話歡迎戳我~