那些妄图征服太空的核动力火箭
c6h2ch3no232013/09/20科学技术学 IP:加拿大
本帖最后由 c6h2ch3no23 于 2013-9-20 11:45 编辑

猎户座计划
20世纪50年代,大胆的科学家把目光头像美苏日益庞大的核武器库,打算将核弹作为火箭燃料,于是猎户座计划应运而生。
核火箭的技术结论最早出自美国核科学家乌拉姆,他认为将50颗1000tTNT当量的核弹在飞船尾部相继爆炸后,飞船速度可达12km/s。1958年,美国核科学家泰勒在其基础上提出了猎户座计划,他设想将50颗2000tTNT当量的核弹在飞船尾部相继爆炸后(在外太空),飞船速度可达70km/s,使大型载人飞船穿梭于行星间。

美国科学家计划造一艘像远洋巨轮般庞大的太空船———“猎户座”,并用数千枚小型核弹做动力,将这艘至少可以乘载40名宇航员的太空船送往火星、木星或土星。根据计划,“猎户座”太空船只需125天就能往返火星,飞船上可以携带100吨设备和食品,如果换成常规的火箭推进飞船,这简直是不可能的事。在美国科学家的最初计划中,“猎户座”太空船将在1970年载着宇航员抵达土星,“猎户座计划”聚集了当时世界上最优秀的科学家。
   1.jpg
lie.jpg l3.jpg “猎户座”太空船的工作原理是∶让太空船携带数千枚小型核弹,当飞船需要动力时,宇航员就从船尾释放出一颗核弹,接着再释放出一些由含氢塑胶制成的固体圆盘,当飞船驶出一定距离,核弹将在飞船后面爆炸,蒸发掉塑胶圆盘,将其转化成高热的等离子浆。这些等离子将会向四面八方冲击扩散,其中一些将会追上太空船,撞击太空船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空船高速行驶。这种推进方法实际上是原始的脉冲推进。事实上,这些等离子的推动力将非常猛烈,它们将会使飞船产生令人难以承受的加速度,因此,太空船上将设计一个震波吸收系统,冲撞到金属推进盘上的能量可以被储存起来,并逐渐被释放出去。 由于不清楚太空飞船的硕大推进盘是否会被核爆炸后产生的高温等离子融化或腐蚀,科学家用氦离子发生器进行了摹拟测试发现,瞬间高温的等离子只会对金属推进盘表面产生轻微的腐蚀,甚至可以忽略不计,没必要设计。
在泰勒等科学家的计划中,“猎户座”太空船将从美国内华达州杰克斯平地核测试地点被发射升空,“猎户座”太  
空船将有60层楼高,外型有点像颗子弹头,太空船尾部的推进盘直径将达41米,发射平台将由8个高达76米的发射塔组成。当太空船被发射升空后,先每隔一秒丢下一颗100tTNT当量的小核弹,当达到一定速达太空船尾部每隔10秒钟就要爆炸一颗相当于2万吨TNT能量的小型原子弹,垂直飞出大气层。
猎户座计划几乎没有缺陷,而1959年一个利用6颗普通炸弹的火箭模型成功飞到100m高空,也验证了这种脉冲推进的可行性。
然而,猎户座飞船每一次升空大阅会造成0.1~1人死亡改变了科学家的抉择,1963年签署的《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》从法律上宣判在大气层内点燃核火箭是非法的,这直接造成了1965年猎户座计划研究终止。
在科幻电视剧《星际迷航》第一季《世界是空的,我摸到了天空》一集中这个想法获得了新生。
中国科幻小说《三体》中也有这个想法的影子



代达罗斯计划
英国皇家星际学会于1973年的提出代达罗斯计划,以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star,是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器,并用50年的时间到达那里。
代达罗斯恒星际探测器这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸,而是内部的发动机,在一个磁场构筑的“燃烧室”中,向小燃料球照射发射电子束,产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。
dai2.jpg dai.jpg 12.jpg
探测飞船的质量为5.5万吨,其中推进装置重量是5万吨,预计经过持续44个月的加速后,可以达到光速的12%。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的,设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的,我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力,而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。
总的来说,核裂变发动机是相当现实的东西,而核聚变发动机则基本偏向科幻,需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺,而用于核聚变的氘和氚却很多,在近处的月球上尤其丰富。此外,核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景,其方式是利用氢核(质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应,虽然反应困难而且产生的能量小,但不产生γ射线和中子,只产生α粒子,可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。
计划中重达5,5万吨的代达罗斯火箭长190米,核燃料就有50000吨,科学仪器只有500吨,在轨道上组装完成后,第一级火箭工作两年,将飞船加速至光速的7.1%,第二级火箭工作20个月,将飞船加速到光速的12%,然后关闭发动机依靠惯性滑行46年,到达巴纳德星。
1978年,英国皇家星际学会公布了代达罗斯计划的最终方案,该计划提出了有史以来第一份详细的核动力飞船设计图纸,皆在讨论可能性。但直到今天,代达罗斯计划的核心技术仍旧是纸上谈兵,没有核聚变火箭,没有木星开采技术,数万吨的核燃料也久无法在获得。
在轨道上建造几万吨的航天器也是天方夜谭,而且巨大项目花费也无法承受,金属铍的开采也决非易事。但即便如此,代达罗斯计划仍是目前研究论证最完备的计划。

后记
个人认为猎户座计划是第一个无工质推挤火箭计划,拥有跨时代意义,而代达罗斯计划无疑是设计最完整的无工质推挤火箭计划,关于香皂火箭q说还没有核动力火箭是很正常的,毕竟无工质推挤是跨时代的,而这两个计划无疑是超前的
+20  科创币    香皂火箭q    2013/09/20 长见识了,不错。为何没有核发动机?
+10  科创币    大庆发射区    2013/09/20 三体好评--------
+10  科创币    大庆发射区    2013/09/20 三体好评--------
+20  科创币    jn久    2013/09/21 无工质推进到底设什么,高科技啊
来自:科创总论 / 科学技术学
23
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~~空空如也
玄明
10年8个月前 IP:未同步
643963
太空探索就好像一只蚂蚁从一座人类的城市到另一座城市,一开始蚂蚁发现自己可以出城会很兴奋,会想尽办法多出去走走。但当越来越多的人认识到那距离的鸿沟后,这一切就不那么美好了。
+1
科创币
20!Dopaminor
2013-09-20
测试评分 对 yy强身
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babydeloudly
10年8个月前 IP:未同步
644235
星际迷航中  就是用猎户座这招脱离黑洞的
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babydeloudly
10年8个月前 IP:未同步
644237
有呀  前苏联就有  不过因辐射问题而夭折了
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c6h2ch3no23作者
10年8个月前 IP:未同步
644277
成功的没有
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苛性氟
10年8个月前 IP:未同步
644884
好像很吊的样子。。
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光谱
10年8个月前 IP:未同步
644921
嘿,三体好评!
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光谱
10年8个月前 IP:未同步
644922
三体中描述的是辐射帆,与太阳帆比较接近
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拔刀斋
10年8个月前 IP:未同步
644931
新的脉冲推进方案,使用Z箍缩聚变(现有的Z箍缩聚变实验装置本身就有一种是喷气Z箍缩,在环缝拉喷的喷流里放电)


科学家研制未来“磁脉冲发动机”6周抵火星
2012年07月02日07:36腾讯科技[微博]我要评论(30)
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[导读]科学家研制高科技“磁脉冲发动机”雏形,可用于进行行星际航行,抵达火星只需六周。

腾讯科技讯(Everett/编译)据国外媒体报道,科学家设想在未来前往火星的旅途中,将使用到一种高科技宇宙飞船,采用一系列的“核曲棍球”式推进,通过磁脉冲将原子核相互撞击并在一个类似曲棍球式的特殊结构中进行。目前,来自阿拉巴马大学的物理学家小组位于汉茨维尔的工程机械和航空航天部很快就要将交付一个新型高科技系统,并称其为Z箍缩(Z-pinch),从整体结构上看显得“轻巧”,可以认为其工作原理如同一颗恒星的“心脏”。

科学家研制未来“磁脉冲发动机”6周抵火星

科学家设计的“曲棍球”式磁脉冲发动机飞船

根据阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系副教授贾森·卡西布里(Jason Cassibry)博士介绍:“我们目前正在努力开发一种小型、轻便的脉冲核聚变系统,未来将其应用于深空探测等任务。如果将这套装置放在一艘飞往火星的宇宙飞船上,那么只需要六至八周就可以抵达火星,而不是六到八个月。”卡西布里和他的研究团队计划打造一个酷似曲棍球外形的反应装置,并通过融合锂和氢原子核最后将它们一点点提纯后的质量转化为能量。

其中设置有一个尺寸仅为两英寸宽、一英寸厚的小型装置,整体尺寸小于三寸冰球的大小,该装置由锂氘 (LH 2)、最轻金属元素制造而成。核聚变反应是太阳核心位置的反应进程,由四个氘核结合并形成一个氦核并释放出能量的过程。阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系的实验将开启这种循环,控制原子核对撞需要极高的精确度。

为了统筹该实验的相关会议,来自阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系、波音公司、美国国家航空航天局马歇尔空间飞行中心的科学家们以及不断增多的其他参与人员将开启“十年模块二号”机功率发生器,即DM2,而L3通讯脉冲电源的设计将使用美国国防部在上个世纪九十年代在塔拉霍马进行的武器效果测试项目。而“十年模块二号”机功率发生器将在今年夏天被迁往红石军火场(Redstone Arsenal),这里是美国国家航空航天局生成火箭和卫星的基地。如同摄影师的闪光灯,“十年模块二号”机功率发生器包含了电容式装置可存储电荷并进行释放,形成等离子体。

当通过电流时就会产生一个被压缩的等离子体磁场,这就是Z箍缩效应。根据阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系副教授贾森·卡西布里介绍:其产生的能量相当于全世界能量输出总量的百分之二十,不仅能量巨大而且体积很小,并不超过你的手指头大小。但是如此强大的能量只能持续极为短暂的时间,仅仅为千亿分之一秒。根据参与研究的科学家们介绍,我们首先要对这项概念性的研究设计进行测试,运行我们的模型并进行实际测量,该装置还存在不稳定性,比如被电离的粒子会带走大量的热量,同时也将测试磁脉冲推进模型背后的理论是否是有效的。

一旦我们对其运行机制有了很好地理解,就能将其应用在宇宙飞船的推进器上。物理学家们希望有朝一日能使用“太阳能量”,通过核聚变产生能量,阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系涉及的能量工程为主流的受控核聚变,其具有独到的设计和应用程序,与美国能源部下属的未来能源计划工程中设计的核聚变装置还存在不同的地方。阿拉巴马大学汉茨维尔分校工程系副教授贾森·卡西布里认为该装置将改变化学火箭时代,我们正在进行研发非常轻便的动力系统。

如果这项研究取得持续性的进展,将衍生出一个新型装置,其工作原理为使用电磁场形成一个喷嘴将反应物喷出,同时还将捕获额外发散的能量进行循环利用,重新进入充电系统中。这就是Z 箍缩技术中下一个将要解决的领域。其核心部位是脉冲引擎,就如同其他火箭发动机一样,外形上看如同一个茶壶,工作原理还是将冷物质转变为能量和高温气体并推动飞船前进。

在核脉冲发动机的工作进程中,产生的推力与航天飞机主引擎的功率相比明显微不足道,对于动辄数百吨的行星际宇宙飞船而言,似乎感觉不到推力的存在。但是科学家认为这样的宇宙飞船会在地球轨道上进行快速数周的加速过程,然后朝目标行星前进。返回腾讯网首页>>
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拔刀斋
10年8个月前 IP:未同步
644935
本帖最后由 拔刀斋 于 2013-9-20 16:52 编辑

喷气Z箍缩实验装置的介绍,大型装置可以做脉冲聚变反应堆、小型装置可以做脉冲软X射线源,有一定的DIY价值

喷气Z箍缩X光辐射信号分析
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喷气Z箍缩负载的质量线密度确定
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测量喷气Z箍缩负载的气流马赫数
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喷气Z箍缩内爆等离子体的雪铲模型
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[align=center][color=#0000a0]          Z箍缩喷气负载的理论和实验研究        [/size][/color][/align]
        
何安  

        
          【摘要】:        本文从理论和实验两个方面对Z箍缩喷气负载的设计、流场分布、质量线密度及其时间特性等内容进行了研究,在“阳”加速器装置上利用新旧两种喷嘴分别完成了氩气的喷气Z箍缩实验,实验结果表明重新设计的喷嘴通过对负载结构、线质量密度和位型的优化,提高了负载与脉冲功率装置的能量耦合效率和X射线产额,达到了很好的箍缩效果,获得的软X射线最高能量为1.7 kJ,功率22 GW,最小脉宽(FWHM)为16 ns。对喷气负载的数值模拟分三部分:首先运用工程方法设计二维拉瓦尔喷管型面,然后通过求解Navier—Stokes方程来计算气流从储气室到喷管出口的流动过程,最后采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模拟喷管出口的超音速气体向真空中的膨胀过程,最终确定喷气负载的气流位型和质量线密度。在实验方面,建立了一套高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统,利用这套激光干涉系统完成了对Z箍缩喷气负载质量线密度的测量,获得了内单型面拉瓦尔喷嘴产生的超音速Ar气负载平均质量线密度及其随时间变化的曲线,与理论计算结果进行比较,为优化喷嘴理论设计程序提供实验依据,实验测得的气流稳态的建立时间可以用于精确控制喷气装置电磁阀门的打开时刻,保证喷气Z-pinch实验中脉冲功率装置提供的脉冲电流与喷气负载之间的时间同步,使负载与脉冲功率装置之间达到良好的时间匹配。在“阳”加速器上采用新旧两种不同的喷嘴分别完成了Ar喷气Z箍缩实验,利用可见光分幅相机获得了箍缩过程中不同时刻的等离子体位型图,实验结果表明采用双型面设计的新喷嘴比单型面旧喷嘴提供的喷气位型更加均匀并获得了很好的等离子体箍缩效果。此外,利用建立的高灵敏度激光干涉系统成功地完成了对等离子体断路开关(POS)中电缆等离子体枪电子密度的测量,系统地研究了电缆等离子体枪产生的等离子体特征,获得了等离子体的重复性、空间和时间分布以及等离子体的平均喷射速度等实验结果。本文完成的主要研究内容如下:        1.对Z箍缩研究进行了大量的调研,给出了目前国内外Z箍缩喷气研究的综合评述。        2.完成了快速电磁阀的研制。整个电磁阀高约12.4cm,重量约1kg,由电磁线圈、不锈钢室体、提升阀、软铁锤和弹簧等组成,然后,通过一个整流硅控制的整流器连接在一组电容器上。电磁线圈绕制过程中(浇注环氧树脂之前)在线之间及其周围加入玻璃纤维,起到了增强、加固作用。提升快速电磁阀阀门由钛材料制作,其优点是重量轻、强度高。软铁锤采用高电阻率的硅钢片叠加制成,各片之间相互绝缘,并使叠缝与磁感应线平行。设计中优化了阀门与喷嘴喉道间的管道长度,以提高气流的来回振荡频率,使喉道前气流能较快的趋于稳定形成新的驻室条件,有利于更快的获得稳定气体负载。在性能测试中,利用高速相机和激光测量技术对阀门的瞬时抬起过程进行了测量,结果表明:阀门抬起高度约为1.8mm,电磁阀门打开的平均速度为12m/s,电磁阀动态密封效果好,性能稳定,开启时间抖动小于20μs,满足实验要求。        3.运用工程方法设计了内单型面,外单型面和双型面等三种不同型面的拉瓦尔喷嘴,并完成了加工。将喷嘴出口设计成圆环状,并使气流与轴线平行,且具有较高的马赫数,减小了气流层沿径向的扩散,使气流抵达对面电极所需时间较短,从而减小“拉链效应”带来的影响。影响喷嘴设计的因素很多,如阀门开启的速度、口径、阀门关闭时间、真空管道的几何形状、储气室的压力、拉瓦尔喷管的喉道和出口尺寸、型面类型和平均半径等。        4.通过求解Navier—Stokes方程的办法计算气流从储气室到喷管出口的流动过程;其中阀门开启和关闭过程中气体流动过程非常复杂,无法精确描述,只能作近似处理,为简化计算,假设阀门突然开启和突然关闭,从开启瞬间到关闭瞬间的时间段以及开口孔径可以参考实际情况由实验确定。阀门开启前,阀门左边储气室为高压气体,右边抽成真空状态。一旦阀门突然打开,左边高压气体将迅速进入右边,形成非定常流动,这是一个典型的激波管问题,阀门开启一定时间后又突然关闭,右边的气体由于惯性和压差将继续向前流动,由于喷管喉道狭窄,气体不能迅速通过,激波和膨胀波将在喉道和阀门之间来回反射,最终形成均匀的驻室。我们最初采用定常流动模型,并用储气室条件作为拉瓦尔喷管的前室条件进行计算,发现根本无法满足设计要求,预测的质量线密度比实际情况大10倍左右。后来改用非定常流动模型,取得了与实验较为一致的计算结果。        5.采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模拟喷管出口气体向真空中的膨胀过程,并最终确定喷气负载的气流位型和质量线密度。分别计算了上面三种型面所形成的喷气负载的气流位型和质量线密度,计算了不同气室压力下所形成的气流位型和质量线密度,计算了不同喉道宽度和不同出口尺寸所形成的气流位型和质量线密度。        6.设计加工了不锈钢喷气真空室,圆柱形真空室直径580mm,高度300mm,其真空度达到1×10~(-3)Pa,其真空度能够满足喷气密度测量要求,加大的真空室与原有的真空室相比,足已容纳迈克尔逊干涉仪中的光学元件,满足了将干涉仪主体放置到真空室里面的需求。        7.采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立了一套高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统,在该系统中通过采用充气隔振光学平台和将干涉仪放置到喷气真空室里面等隔振方法,有效地消除了真空机组(分子泵和机械泵)的机械振动对相移测量的影响,创立了利用示波器跟踪π/2相位的简便方法,方便地实现了对初始相位π/2的锁定,保证了在相移测量中,让干涉系统处于最灵敏的位置。        8.利用该套高灵敏度激光干涉测量系统完成了对Z箍缩喷气负载质量线密度的测量,获得了内单型面拉瓦尔喷嘴当储气室气压为0.4MPa时产生的超音速Ar气负载平均质量线密度(稳定值为70μg/cm)及其随时间变化的曲线,实验结果表明电磁阀电流开始后1.6ms,在距离喷嘴出口10mm处开始有气流,再经过0.3ms后,气流达到稳定,稳态维持时间为0.4ms。        9.在“阳”加速器上采用新旧两种不同的喷嘴分别完成了Ar气负载的Z箍缩实验,利用可见光分幅相机、X-ray分幅相机和剪切差分激光干涉仪获得了箍缩过程中不同时刻的等离子体位型图,实验结果表明内单型面Laval喷嘴产生的气流位型分布不均匀,喇叭形非常明显,这与数字模拟的计算结果相符合,等离子体箍缩效果不好。采用重新设计的双型面喷嘴(内单Laval型面加向内倾斜型面)获得了均匀的气流位型分布,等离子体箍缩效果很好,获得的软X射线最高能量为1.7 kJ,功率22 GW,最小脉宽(FWHM)为16 ns。        10.将该套高灵敏度激光干涉系统成功地用于低密度等离子体测量,完成了对等离子体开关(POS)中电缆等离子体枪电子密度的测量。干涉仪的最高灵敏度约为0.2°,对应的最低可测量线积分电子密度为8.3×10~(13) cm~(-2)。系统地研究了电缆等离子体枪产生的等离子体特征,获得了等离子体的重复性、空间和时间分布以及等离子体的平均喷射速度等实验结果,线积分电子密度为1.2×10~(16) cm~(-2)~1.3×10~(15) cm~(-2),等离子体维持的时间~10μs。另外,还通过在电缆等离子体枪的下游放置一块金属板来模拟研究了等离子体与金属导体的相互作用问题。        11.设计了一维阵列测量实验方案,采用括束透镜和柱面透镜将点状激光改变成片状激光束,利用一维阵列光纤和PIN二极管来记录不同位置处的气体密度,由此可以在一次实验中获得气体密度在X方向的一维分布,通过在Y方向移动装置或激光束的位置,可以得到气体密度的二维分布,该方法同样可以运用到电子密度的测量中,尤其适合快速低密度的测量。


+5
科创币
jn久
2013-09-21
超高质量发帖
+10
科创币
kcltxinshou
2013-11-28
长见识了
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百读不厌
10年8个月前 IP:未同步
644997
现在还在可控核聚变的研究中
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c6h2ch3no23作者
10年8个月前 IP:未同步
645007
拔刀斋 发表于 2013-9-20 16:35
喷气Z箍缩实验装置的介绍,大型装置可以做脉冲聚变反应堆、小型装置可以做脉冲软X射线源,有一定的DIY价值
...


这是工质推进吧
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拔刀斋
10年8个月前 IP:未同步
645104
c6h2ch3no23 发表于 2013-9-20 19:30
这是工质推进吧


核推进都属于工质推进,所谓“无工质推进”指的是只发射光子
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c6h2ch3no23作者
10年8个月前 IP:未同步
645139
拔刀斋 发表于 2013-9-21 00:14
核推进都属于工质推进,所谓“无工质推进”指的是只发射光子


猎户座记划应该是无工质吧
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拔刀斋
10年8个月前 IP:未同步
645219
c6h2ch3no23 发表于 2013-9-21 09:28
猎户座记划应该是无工质吧


“猎户座”太空船的工作原理是∶让太空船携带数千枚小型核弹,当飞船需要动力时,宇航员就从船尾释放出一颗核弹,接着再释放出一些由含氢塑胶制成的固体圆盘,当飞船驶出一定距离,核弹将在飞船后面爆炸,蒸发掉塑胶圆盘,将其转化成高热的等离子浆。这些等离子将会向四面八方冲击扩散,其中一些将会追上太空船,撞击太空船尾部巨大的金属推进盘,从而推动太空船高速行驶。
============
工质不仅有核弹还有塑料盘
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c6h2ch3no23作者
10年8个月前 IP:未同步
645221
拔刀斋 发表于 2013-9-21 16:15
“猎户座”太空船的工作原理是∶让太空船携带数千枚小型核弹,当飞船需要动力时,宇航员就从船尾释放出一 ...


这不是利用高速气体的反作用力吧
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土立土及
10年6个月前 IP:未同步
654355
使用核弹是因为比冲值比化学燃料高太多了。

简单讲,就是用核能和重力位能比。化学能根本比不过。
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qdhuojianren
10年5个月前 IP:未同步
655486
NB
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ssq
10年5个月前 IP:未同步
655949
民科
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Master_In_Nursery
10年5个月前 IP:未同步
655965
把飞船的尾部造成尖的 前面为平的。 用电子的反推力做动力[s:12]   有点在yy的感觉[s:3]
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我爱制作
9年7个月前 IP:福建
721251
资料齐全
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超级巨炮
9年7个月前 IP:广东
721598
看起来不错
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四次
9年7个月前 IP:广西
722880
学到了工质和无工质推进
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2013/09/01注册,6年3个月前活动

兴趣很广泛 画画 死飞 改装

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