空间核推进：超远距离深空探测的澎湃动力

  为了满足未来太阳系边际探测、深空轨道转移、火星载人往返等大型空间任务需求，空间核动力推进技术成为全世界研究热点。

  空间核动力技术能突破常规能源推进方式的各项约束，极大地提高推进系统比冲，同时克服太阳能受限于对日距离的问题，在深空探测领域具有巨大前景。

  空间核动力主要是指能量来源是核能的空间动力系统，其衍生概念还包括了空间核热源、空间核电源，但空间核动力其实是偏向于空间核能推进系统。

  核能推进技术是指能量输入为核能的核动力技术，最重要的包含利用核热与热电转换的两种推进方式和核热/核电的双模式推进，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片、核脉冲、核冲压。

  核热推进是指利用核裂变产生的热能加热推进工质，并由推力室喷管加速喷射而产生推力的一种推进方式。

  核热推进最简单的模式就是在推进系统中只有一条主推进剂管路，液氢工质从储罐中流出进入泵加压，推动涡轮做功，还有一部分氢进入喷嘴冷却套，这部分液氢的作用是冷却喷嘴和预热工质，两条路径最后都进入反应堆堆芯吸取大量热，通过推力室以及喷管高速喷出，由此产生推力。

  核电推进主要是指利用核反应堆核裂变/聚变或者放射性同位素衰变产生的热能通过热电转换产生电能，再利用电推进系统产生推力的推进方式。目前，大功率的空间核电推进系统均是依靠反应堆核裂变产生的热源设计。

  核电推进系统中如何将核反应堆产生的热能转换为电推进系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方式最重要的包含斯特林、布雷顿和朗肯热力学循环，以及温差和热离子发电。

  在低效率条件下，温差发电在放射性同位素动力系统中的使用历史悠远长久，技术相对成熟与稳定。然而，由于较大的反应堆、辐射屏蔽和废热散热器，低效率对于大功率裂变系统本身是一个挑战。斯特林循环效率高，但不能很好地扩展到更高的功率系统，而氦氙混合气的布雷顿循环系统在更高的功率等级下表现更好。

  目前，国外很多国家（以美国、俄罗斯、欧盟等为首）已经在开发和布局空间核能应用，美国NASA和俄罗斯Keldysh研究中心等国家航天研究机构均对空间领域核动力技术均进行了充分研究与长期规划，从上世纪50年代至今，已有部分核动力航天器实现了空间飞行，目前已公布的信息中还有相关大型空间核动力飞行器的地面演示试验台情况。

  早在1955年，美国原子能委员会就启动了空间核辅助电源计划(space nuclear auxiliary power，SNAP) ，并于1965年4月成功发射了SNAP-10A，成为人类历史上第一个在轨运行的空间核反应堆电源，采用温差热电偶发电的方式为航天器提供500W的电功率，在运行43d后被永久关闭。

  此后，美国在太空任务发展规划的优先级上不断做调整，空间核动力领域的有关研究虽继续取得了重要进展，如SP-100 计划、应用于运载火箭的核发动机计划(NERVA)和普罗米修斯计划(Prometheus)等，但再也不进行实际飞行试验和在轨应用。

  2015年7月，美国国家航空航天局(NASA)发布了详细的《NASA技术路线年空间探索的任务需求列出了优先发展趋势和预期研究水平。

  其中在核热推进技术方面给出了具体的工作参数: 推力111kN、比冲900s、最长单次上班时间46min、累计上班时间85～102min等，针对载人火星探测任务的预期技术成熟度达到8级;在核电推进技术方面将空间核反应堆电源划分为3个功率等级: 1～10 kW应用场景为科学任务总线电源与载人探测星表能源，10～100kW应用场景为载人小行星探测等灵活路径任务，1～5MW应用场景为具有低质量密度要求(小于5kg /kW) 的载人火星探测任务。

  美国DRA5.0基于空间核热推进的“7次重型发射”载人登陆火星探测任务模式

  NASA在2020年发布的《NASA技术分类》中，分别在推进系统( TX01) 及空间电源与能源储存( TX03) 分类下对空间核动力推进及空间核反应堆电源进行了强调。

  美国在空间中应用的涉核技术主要为放射性同位素电源，如在2020 年7月30 日发射的“毅力号”( Perseverance) 火星车的动力即由多任务放射性同位素热电发生器( MMRTG) 供应。

  目前美国最新的空间核动力计划为千瓦级电源计划( Kilopower) ，发电功率1～10kW，2018年3月“采用斯特林技术的千瓦级反应堆”项目(KRUST) 的1kW演示机获得成功，成为40年来首个进行完全测试的空间核裂变反应器。

  自上世纪50年代开始，苏联同期对空间核动力开展了广泛且深入的研究，以BUK型温差热电转换的空间核电源为代表的动力装置在“宇宙”系列侦察卫星中先后完成了数十次成功在轨应用。

  在此基础上还成功发射TOPAZ-Ⅰ型热离子转换核电源实现在轨应用，并完成了TOPAZ-Ⅱ型核电源的全尺寸样机研制及地面测试，为空间核动力的技术发展积累了大量经验数据。随着苏联解体，相关研究也由于经费不足而步入低潮。

  进入21世纪以来，着力发展深空探测的国家战略让俄罗斯重拾空间核动力研究。2008年4月24日俄罗斯政府批准了《2020年前及以后俄罗斯联邦在空间活动领域政策的原则》，表明俄罗斯政府对于全方面开展空间研究、探索和利用的重要需求，时任总统梅德韦杰夫批准了总值170亿卢布的航天核动力系统计划。

  俄罗斯有关方面经过技术论证，认为核热推进研发成本过高且应用场景有限，而俄罗斯近年来在电推进方面取得的技术进步，提升了核电推进方案的技术可行性，因而决定集中力量对大功率热电转换技术进行攻关，并与欧盟国家开展了广泛的国际合作。

  2009 年12月俄罗斯航天局宣布，将开发用于行星间载人或无人任务的兆瓦级空间核动力飞行器———运输动力模块( TEM) ，由Keldysh研究中心和Energiya航天公司联合设计，力图突破空间核动力关键技术。该兆瓦级空间核动力飞船由空间核电源系统来进行供电，支持电推进系统实现深空探测任务，采用超高温气冷快堆+ 闭式布雷顿循环发电+热管/液滴辐射散热的技术方案。该空间核动力飞船最早于2012年完成系统初步设计，迄今为止，又经历了多次方案变化，对承重桁架设计、散热系统配置、空间结构布局等方面做了调整完善。

  2018年10月，对核动力发动机装置的冷却系统来进行了地面测试; 同年12月，Keldysh 研究中心宣布了在露天场所来测试的准备工作。

  2019 年，俄罗斯国家航天集团公司称其已经开发了设计文档并测试了TEM 模型的组件，Keldysh研究中心还因为该项目进度延误被罚款1. 5亿卢布。

  2020年9月，俄罗斯军火库设计局( KB Arsenal) 开始着手组装核动力飞船，计划在2030年前将第一艘核动力太空拖船送入轨道并开展飞行试验。根据飞行计划，第一阶段，拖船将与有效载荷模块停靠在太空中并到达月球，对其进行探测并将一颗研究卫星留在其轨道上; 第二阶段，将继续飞往金星并在途中进行补加氙气燃料的测试，在金星上一颗研究卫星也将从有效载荷模块中分离出来; 而拖船本身与其余的科学设备将进行引力机动，进入第三阶段到达木星卫星的飞行任务，最终对其进行研究。

  欧盟在空间核动力领域的最新政策主要围绕面向2030—2040 年的兆瓦级国际空间核电推进(INPPS)飞船进行开展，现阶段主要支持了DiPoP、MEGAHIT、DEMOCRITOS这3个项目的发展，在项目中充分开展以俄罗斯为代表的国际合作。

  最新的DEMOCRITOS 即“电推进系统转换器、反应堆、辐射器、推进器演示验证”项目，由英国NN、德国DLR、俄罗斯Keldysh研究中心、意大利TAS、法国ASL、ESF、CNES等核领域和航天领域的专业研究机构合作开展，巴西IEA作为观察员。技术路线kW的闭式布雷顿循环，将热管辐射反应堆的热量转换成电推力器所需的电能。目前正在进行单机设计以及地面演示验证装置基准测试初步设计，计划在2023 年进行全系统试验。

  DEMOCRITOS 项目目前已完成了1 MW 量级核电推进太空飞船初步设计，并针对木卫二和火星探测任务给出了两套整体方案，根据任务进行的空间环境与系统要求的不同，分别采取了了不同的反应堆防护层和散热器结构，最终目标达到向木卫二运送12t货物以及向火星运送18t货物的能力。

  在法国的推动下，2019 年欧空局( ESA) 发布了最新的《空间核电源使用安全政策》，“针对上世纪八九十年代欧空局与NASA 的联合核动力任务以来，有关核活动的安全标准、最佳实践、公众认知、透明度和审查要求等所取得的重大进展”，建立了适应最新发展要求的空间核动力领域的安全准则框架，为未来的基础研究和工程应用奠定了政策基础。

  中国早在1949年就率先由钱学森提出了发展核火箭的构想，并于1958 年在原北京航空学院设立了核火箭发动机系。其后，受国际应用趋势和国内发展趋势影响，有关研究一度陷入停滞。进入21世纪后，空间核动力推进逐渐被重新提上日程。

  然而目前我国在空间核动力推进领域尚未有国家层面的发展规划出台，技术储备仍然比较薄弱，相关的科研力量也较为分散，虽然在各子系统的重点技术方面做了一定的理论可行性研究与性能提升工作，但是仍缺乏系统级的统筹协调，难以形成研究合力。结语

  目前，大多数国家都涉足了空间核动力方案的探索，尤其是美国、俄罗斯等航天强国。综合各国的技术发展路径和最新研究成果来看，由于极高的单位体积内的包含的能量和运行稳定性，发展空间核动力飞行器是未来深空探测的必由之路。各个国家也依据自己技术条件确定了对自己最合适的发展路线，超大功率核电推进慢慢的变成为近年来该领域的主流选择。

  现阶段我国亟需在充分论证的基础上建立中长期的相关发展规划，尽早布局深空探测领域的核动力整体方案，识别关键技术及发展趋势，同时以高端工业制造能力的提升促进空间核动力未来的产业化发展。国内现阶段已经认识到推进新型空间动力能源方案的重大意义，对于各子系统零部件也具备了一定的技术基础，还需要抓住机遇迎头赶上。

  本文转载自“空天动力瞭望”，原标题《空间核推进：超远距离深空探测的澎湃动力》。

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