附錄 2 - 參考資料

空氣動力學

• 美國空軍穩定性和控制資料彙編 - 從 1920 年代開始，美國空軍收集資料以預測飛機的空氣動力學行為。此連結指向已編譯資料的 1978 年文字版本，稱為 USAF DATCOM，這是一個 3134 頁、113 MB 的 .pdf 檔案。從那時起，資料和公式的版本已編譯成軟體模組，這些模組可以獨立執行，也可以連結到更全面的飛機設計軟體中。

• 1976 年美國標準大氣 - 這本書提供了資訊和表格，描述了地球大氣在“標準”條件下的成分、壓力、溫度和其他特性。由於天氣、太陽週期和長期變化（如二氧化碳濃度增加），實際大氣與這些標準條件不同。參考資料仍然對進行計算有用，並且基於這些資料的公式已包含在軟體程式和程式中的模組中。

核火箭

美國之前的核火箭計劃

固體核心 NTR 開發

麥克唐納·道格拉斯公司與核動力有著很長的淵源，始於 1950 年代中期對核動力飛機的推進研究。。其他的工作包括 NERVA 核動力飛行器星際飛行研究以及 1960 年代與美國宇航局簽訂合同下的固體核心飛行器整合研究。1971 年，對使用 PEEWEE 反應堆的航天飛機發射的核動力太空梭系統進行了研究。

1972 年，LANL 對使用 NERVA 技術並基於 PEEWEE 反應堆設計的小型核動力發動機進行了研究，該發動機可用於美國宇航局新設計的太空梭。該發動機重 2555 公斤，使用複合 UC-ZrC-C 燃料，其他引數包括：

• 總執行時間小時 2 1
• 執行週期 20 3
• 比衝秒 860 875
• 推力 kN 71.6 73.0
• 氫氣流量 kg/秒 8.5 8.5
• 熱功率 MWt 354 367

考慮了各種其他 NERVA 衍生的推進概念，LANL 對一系列任務應用進行了評估。例如，根據設想 145 到 872 次軌道轉移飛行器的任務模型，得出的結論是，核動力軌道轉移飛行器可以顯著減少推進劑發射需求。作者得出結論，太空梭主發動機計劃中非核噴嘴和渦輪泵技術的進步增強了 NERVA 衍生發動機的可行性。

LANL 的任務分析表明，使用 NERVA 技術可以顯著減少近地軌道初始質量 (IMLEO)：

推進系統	IMLEO（噸）
化學（全部推進）	2,100
化學 + 空氣制動	715
NTR（全部推進）	760
NTR + 僅地球空氣制動	540
NTR + 空氣制動	420

開發飛行就緒的核動力火箭的成本估計為 40 億至 50 億美元，其中包括重建 1960 年代 NERVA 能力的成本，估計包括

元件	成本	備註
發動機設計與製造	12.18 億美元	NERVA 的 80%
技術	3.77 億美元	NERVA 的 50%
測試設施資本	4.6 億美元
運營	2.1 億美元
總計	22.65 億美元	1985 年美元

該分析還考慮了與測試相關的因素，指出

"在 NTS 進行測試的主要障礙是，允許運輸到公共領域的放射性碎片水平降低了。這些水平比 NERVA 計劃期間的水平更嚴格。目前對平民的照射限制為 150 m 毫雷姆，這可能會將 NTR 的測試限制在低功率水平和反應堆中的質量流量... 解決此問題的一個簡單方法可能是利用美國擁有的太平洋島嶼之一 - 即約翰斯頓島... (一個) 由於日本洋流的迴流停滯，該地區周圍是海洋生態沙漠..."

ANL 金屬陶瓷程式

從 1961 年到 1967 年，阿貢國家實驗室獨立於 Rover/NERVA 計劃，為核動力火箭燃料元件進行了開發計劃。雖然沒有製造或測試發動機，但對陶瓷燃料配置進行了廣泛的測試。熱衝擊試驗表明，這些金屬陶瓷燃料對核事故的影響具有相當大的耐受性。該計劃於 1967 年提前終止。

評估

在 Rover/NERVA 計劃中發現了兩個主要問題

由於振動導致核心分解，伴隨燃料基體的開裂和材料損失到推進劑流中；

由於塗層侵蝕和開裂，以及透過塗層的擴散，燃料基體鈾和碳的損失。

第一個問題透過改變設計來解決，這些設計減少了振動和基體開裂。

然而，第二個問題，燃料元件腐蝕，卻難以解決：

"腐蝕在中間區域最明顯，大約是燃料元件冷端距離的三分之一。這裡的燃料工作溫度低於製造溫度，因此熱應力高於熱端。此外，中子通量在這個區域最高..."

"沒有哪種燃料元件幾何形狀或燃料材料能夠完全解決 NERVA 燃料元件降解問題。鈾和碳的質量損失持續限制著使用壽命，因為在測試過程中會導致核心中子學發生顯著擾動。燃料元件塗層中的裂紋從未完全消除.... 塗層燃料元件的非核測試表明擴散和溫度之間存在阿累尼烏斯關係。對於每 205 K 的溫度升高（在 2400 到 2700 K 範圍內），質量損失增加十倍... 導致在 2870 K 溫度下大約 5 小時的測試中損失了 20% 的總鈾。"

這段時期出現了一些其他專案管理經驗教訓。一個分析指出：

"從 NERVA 計劃中吸取的一個最重要的教訓是，燃料和核心開發不應僅僅與需要昂貴的核執行的一系列發動機測試相捆綁。應該儘早開發出用於燃料評估的明確技術，這些技術可以在迴路中或非核加熱裝置中使用，並在整個專案過程中使用..."

固體核心 NTR 測試

最初的一系列核動力火箭測試是由洛斯阿拉莫斯國家實驗室在 KIWI 計劃下進行的，該計劃最終耗資 1.77 億美元（以當年美元計）。

選擇石墨作為這些核反應堆的內部結構材料有幾個原因。它在高溫下具有優異的強度，並且其強度在高溫下實際上會增加。此外，與強中子吸收體金屬相比，石墨充當減速劑，減少了核心所需的濃縮鈾量。然而，石墨的巨大缺點是它在高溫氫氣中會迅速侵蝕。雖然無法消除這種侵蝕，但有技術可以將侵蝕減少到反應堆執行壽命（以分鐘到小時計）內可以接受的水平。

西屋公司是 NERVA 計劃反應堆元件的主要承包商，而 Aerojet 公司則是發動機元件（如泵和噴嘴）的承包商。NERVA 計劃共投入了 6.62 億美元（當年美元）用於飛行發動機原型機開發和測試。^[4]

1959 年 7 月進行的首次核火箭試驗使用了未塗層的 UO2 板作為燃料元件。該試驗最高溫度達到 2683 開爾文，功率水平為 70 兆瓦熱功率。執行過程中的振動對反應堆堆芯造成了嚴重的結構性破壞。

首個經過測試的核反應堆 KIWI-A 成功地證明了核火箭的原理，但它使用了未包覆的燃料板，這些燃料板不代表後來的試驗。

KIWI A 試驗

這次試驗於 1959 年 7 月進行，對 KIWI A 中使用的堆芯設計進行了重大改進。燃料由短的圓柱形氧化鈾元件構成，這些元件嵌入石墨模組中，並具有四個塗有碳化鈮的軸向通道，這些通道採用化學氣相沉積工藝製成。反應堆運行了 6 分鐘，功率水平高達 85 兆瓦熱功率。

KIWI-A prime

在 1960 年進行了測試，用 NbC 鍍石墨模組替換了燃料板，這些模組在石墨基質中嵌入了 4 微米直徑的 UO2 顆粒。然而，這種改進的設計在 6 分鐘的試驗過程中也發生了一些結構性破壞。

KIWI A3

隨後的 KIWI-A3 反應堆使用了更高溫度的化學氣相沉積工藝，從而形成了更厚的 NbC 塗層，並提高了附著力。1959 年 10 月進行的 5 分鐘試驗過程中發生了堆芯損壞，功率水平達到 100 兆瓦熱功率，一些燃料元件出現了起泡和腐蝕。總體而言，這次反應堆試驗被認為是成功的。

KIWI B1A

該燃料元件設計與 KIWI A3 相同，採用 UO2 燃料，改變為 7 通道結構，長 66 釐米，塗有碳化鈮塗層。1961 年 12 月的試驗原本打算達到 1100 兆瓦熱功率，但僅達到了 300 兆瓦熱功率，並在 30 秒後因反應堆排氣噴嘴中的氫氣洩漏引起的火災而終止。

KIWI B1B

這次試驗於 1962 年 9 月進行，本質上是 KIWI B1A 試驗的重複，達到了 900 兆瓦熱功率的功率水平，但在幾秒鐘後就終止了，因為有幾個燃料元件從反應堆排氣噴嘴中噴出。

KIWI B2

設計配置未經過測試。

KIWI B3

設計配置未經過測試。

KIWI B4A

該反應堆根據 KIWI B1B 配置的故障進行了重大重新設計。燃料元件為完全擠壓的六角形石墨塊，長 1.32 米，直徑 19 毫米，具有 19 個冷卻通道，每個通道直徑 2.3 毫米。然而，1962 年 11 月進行的試驗在排氣流中出現亮光閃爍後終止，這表明振動引起的堆芯損壞導致堆芯解體。

KIWI B4B

設計配置未經過測試。

KIWI B4C

設計配置未經過測試。

KIWI B4D

雖然該反應堆的設計改進消除了之前試驗中存在的振動問題，但 1964 年 5 月的試驗在以全功率執行約 60 秒後因噴嘴冷卻管破裂而終止。

KIWI B4E

該反應堆是首個使用塗層碳化鈾 (UC2) 燃料代替之前使用的氧化鈾 (UO2) 燃料的反應堆。為了防止碳化物燃料氧化，鈾燃料顆粒被塗覆了 25 微米厚的熱解石墨層，該層會散發水蒸氣。熱解碳層隨後也被用來增強裂變產物的保留，儘管這並非最初的目的。該反應堆運行了 12 分鐘，其中包括 8 分鐘的全功率執行。試驗持續時間受可用液氫儲存能力的限制。

KIWI TNT

該 KIWI-B 型反應堆於 1965 年 1 月故意被銷燬，方法是讓其經歷快速瞬變。該試驗旨在驗證瞬態行為的理論模型。

Phoebus 1A

該反應堆是 1965 年 6 月進行的新型反應堆測試，包括 10 分鐘以上的 1090 兆瓦熱功率執行，排氣溫度為 2370 開爾文。

Phoebus 1B

該反應堆於 1967 年 2 月進行測試，是在之前的 Phoebus 1A 試驗的基礎上進行的，功率水平達到 1500 兆瓦熱功率，持續 30 分鐘，並在較低功率水平下運行了另外 15 分鐘。

Phoebus 2A

這是有史以來建造的最強大的核反應堆，設計功率水平為 5000 兆瓦熱功率。1968 年 6 月的執行由於壓力容器夾具鋁段過早過熱而限制在 4000 兆瓦熱功率。總共運行了 12.5 分鐘，溫度高達 2310 開爾文，包括中功率水平執行和反應堆重啟。

PEWEE

該小型反應堆旨在用作反應堆測試臺，在一些燃料元件上使用碳化鋯塗層，而不是 Phoebus 中使用的碳化鈮塗層。該反應堆的峰值執行功率為 503 兆瓦熱功率，溫度為 2550 開爾文，達到了堆芯功率密度的新水平（平均 2340 兆瓦熱功率/立方米，峰值 5200 兆瓦熱功率/立方米），證明了 845 秒的比衝。

核熔爐 1

NERVA 燃料開發的最後階段是核熔爐 (NF-1) 反應堆，它是一種非均質水慢化鈹反射反應堆，用於對燃料元件和其他元件進行高溫核試驗。49 個燃料元件中有 47 個使用碳化鈾和碳化鋯碳複合燃料，而剩下的 2 個燃料元件使用碳化鈾鋯。1972 年對具有不同碳化物含量、熱膨脹係數和抗熱應力性的複合燃料元件進行的測試表明，儘量減少燃料和塗層之間的熱膨脹係數差異可以減少塗層開裂和碳侵蝕。該反應堆的峰值執行功率為 44 兆瓦熱功率，溫度為 2500 開爾文，達到了堆芯功率密度的新水平（4500 到 5000 兆瓦熱功率/立方米）。

核熔爐測試設施包括用於遠端控制更換堆芯元件的裝置，以及用於從推進劑排氣中去除放射性汙染物的反應堆廢氣洗滌系統。

核熔爐 2

該反應堆已經建造，但由於 1972 年所有此類工作都被取消，因此沒有進行測試。該試驗的目標包括測試新型塗層顆粒燃料，使用具有與塗層熱膨脹係數密切匹配的石墨燃料基質，以減少熱應力和開裂。

NRX-A1

NRX-A2

這次發動機試驗於 1964 年 9 月進行，包括 5 分鐘的半功率到全功率執行。試驗持續時間受可用氫氣儲存能力的限制。發動機在全功率 1100 兆瓦熱功率下實現了 760 秒的比衝。

NRX-A3

這次試驗於 1965 年 4 月進行，持續了 8 分鐘，包括 3.5 分鐘的全功率執行。第一次試驗因渦輪超速電路的錯誤跳閘而終止。反應堆於 1965 年 5 月重啟，並以全功率運行了 13 分鐘，隨後再次重啟，以低功率到中功率運行了 45 分鐘。總共積累了 66 分鐘的執行時間，包括 16.5 分鐘的全功率執行。

NRX-EST

該發動機於 1966 年 2 月的 5 天內運行了總共 110 分鐘，包括 28 分鐘的全功率執行，功率為 1100-1200 兆瓦熱功率。

NRX-A5

該 1100 兆瓦熱功率發動機於 1966 年 6 月運行了 30 分鐘，全功率執行，試驗持續時間受可用氫氣儲存能力的限制。

NRX-A6

該 1100 兆瓦熱功率發動機於 1967 年 12 月運行了 60 分鐘，全功率執行，超過了 NERVA 的設計目標。

XECF

XE'

該 1100 兆瓦熱功率發動機是原型發動機，是首個以向下發射方式執行的發動機。它於 1968 年 3 月累計進行了 28 次啟動迴圈，總共運行了 115 分鐘。試驗檯冷卻水儲存能力限制了每次全功率試驗約 10 分鐘。