空間核推進(jìn)系統(tǒng)綜述與展望

張夢(mèng)龍，張 悅，王寶和

(中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)， 遼寧 大連 116023)

從現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)深空的探測(cè)和開(kāi)發(fā)具有十分重要的科學(xué)、軍事和經(jīng)濟(jì)意義。過(guò)去的50多年，美國(guó)、前蘇聯(lián)、歐空局及日本等先后發(fā)射了200多個(gè)行星際探測(cè)器，包括月球探測(cè)器及金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的探測(cè)器[1-2]。

空間探索和星際航行任務(wù)的困難主要有以下兩點(diǎn)：飛行距離遠(yuǎn)；宇宙環(huán)境惡劣。在遠(yuǎn)離地球大氣層之外，如果靠近太陽(yáng)，陽(yáng)光輻射會(huì)使飛船表面溫度急劇升高，而陰暗處則溫度很低。

依據(jù)能量轉(zhuǎn)化的形式，當(dāng)前的推進(jìn)系統(tǒng)可以粗略劃分為“化學(xué)能推進(jìn)”、“太陽(yáng)能推進(jìn)”、“核推進(jìn)”等。化學(xué)能推進(jìn)由于比沖小、能量密度低，很難滿(mǎn)足未來(lái)空間活動(dòng)的需要；太陽(yáng)能則由于工作環(huán)境的限制，無(wú)法完成遠(yuǎn)離太陽(yáng)的航行需求。熱核推進(jìn)具有功率高、壽命長(zhǎng)、比沖大、不受外界環(huán)境影響等特點(diǎn)，特別是推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)間的增加，熱核推進(jìn)的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)更加明顯。熱核反應(yīng)堆可以長(zhǎng)時(shí)間提供能量，不需要太陽(yáng)能等外部能量，對(duì)外太空表面的輻射帶也不敏感。因此，對(duì)于遠(yuǎn)離太陽(yáng)的行星際飛行或者太陽(yáng)系外探測(cè)，核能似乎是唯一可行的能源。

1 核推進(jìn)系統(tǒng)

與化學(xué)能推進(jìn)的定義類(lèi)似，核推進(jìn)是利用核能進(jìn)行推進(jìn)的形式。在當(dāng)前可控核聚變尚未安全實(shí)現(xiàn)的情況下，利用放射性衰變與可控核裂變產(chǎn)生的能量是核推進(jìn)的主要方式，而根據(jù)核能在推進(jìn)系統(tǒng)中的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化方式，核推進(jìn)又分為核電推進(jìn)(Nuclear Electronic Propulsion，NEP)與核熱推進(jìn)(Nuclear Thermal Propulsion，NTP)。

1.1 核電推進(jìn)系統(tǒng)

核電推進(jìn)實(shí)際上就是將核能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，類(lèi)似于在飛行器上搭建一個(gè)微型的核電廠(chǎng)，利用轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能作為推進(jìn)能量，其后續(xù)推進(jìn)形式實(shí)際上就是電推進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行研究，圖1即為空間電推進(jìn)系統(tǒng)示意圖。

核電推進(jìn)的實(shí)質(zhì)是采用核能源的電推進(jìn)技術(shù)。核電推進(jìn)系統(tǒng)主要包括3個(gè)主要子系統(tǒng)：核能源子系統(tǒng)、核電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和電推進(jìn)子系統(tǒng)。其中核能源子系統(tǒng)即核能產(chǎn)生裝置，目前太空核能的主要產(chǎn)生方式是放射性同位素衰變與核反應(yīng)堆裂變；核電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)是將放射性同位素或反應(yīng)堆釋放出的熱能，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換或者其他的方式轉(zhuǎn)換成電能的裝置[3]；電推進(jìn)子系統(tǒng)是將電能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成航天器動(dòng)能的裝置，國(guó)外已有的研究中，用于NEP的電推進(jìn)類(lèi)型包括離子推力器(IE)、霍爾推進(jìn)器(HET)等。

1.2 核熱推進(jìn)系統(tǒng)

核熱推進(jìn)就是將核能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的熱能(由于裂變產(chǎn)物極少，不能作為工質(zhì)，所以必須攜帶工質(zhì))，再利用噴管或者其他裝置將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行推進(jìn)，其本質(zhì)是熱推進(jìn)。通常核熱發(fā)動(dòng)機(jī)又分為固體堆芯、氣體堆芯和液氧增強(qiáng)型核熱發(fā)動(dòng)機(jī)(LANTR)[4-5]。固體堆芯核熱發(fā)動(dòng)機(jī)是指其反應(yīng)堆為固體裂變物質(zhì)，由于要控制核能釋放速率保證燃料不熔化，因此其比沖并非很高，通常只有1 000 s左右,自20世紀(jì)五六十年代以來(lái)，固體堆芯核推進(jìn)已經(jīng)發(fā)展到接近空間應(yīng)用的階段[6-7]；氣體堆芯核熱發(fā)動(dòng)機(jī)是指其反應(yīng)堆為氣體形式，反應(yīng)堆的溫度達(dá)到上萬(wàn)度的高溫，比沖達(dá)3 000～5 000 s；LANTR 使用噴管的擴(kuò)張段作為加力燃燒室，在這里噴入氧氣，與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)喉部被核反應(yīng)堆加熱的氫進(jìn)行超音速燃燒，這意味著使用更小型的NTR發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得“大發(fā)動(dòng)機(jī)”的性能。

圖2給出了核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。NTP系統(tǒng)主要由裝在推力室承壓殼體內(nèi)的核反應(yīng)堆、冷卻噴管、工質(zhì)輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其工作原理與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的推進(jìn)系統(tǒng)類(lèi)似，所不同的是化學(xué)燃燒被核反應(yīng)堆代替。在NTP中，推進(jìn)劑通常使用液氫。因?yàn)闅涞姆肿恿孔钚。梢允筃TP達(dá)到較高的比沖。工作中，推進(jìn)劑在進(jìn)入燃燒室前，通常先用來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)部件，然后進(jìn)入燃燒室被加熱，從而提高其滯止焓，然后通過(guò)收縮-擴(kuò)張噴管達(dá)到超聲速?？刂葡到y(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)工質(zhì)氫的流量和控制核反應(yīng)的功率，以使發(fā)動(dòng)機(jī)的推力能滿(mǎn)足實(shí)際飛行的需要。因此，NTP的核心目標(biāo)就是如何構(gòu)造一個(gè)反應(yīng)堆芯來(lái)高效地將熱能傳遞給推進(jìn)劑，同時(shí)保證其質(zhì)量最小，運(yùn)行最安全。

圖3是目前正進(jìn)行概念研制的一種氣體芯核熱火箭[8]。氣體芯核熱火箭是基于核裂變的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更為高效的形式。其基本原理是：在核系統(tǒng)中，噴入的鈾形成渦流。把鈾運(yùn)轉(zhuǎn)到臨界狀態(tài)，沿著軸向?qū)錃怏w加熱到極高的溫度，而后從噴嘴排出產(chǎn)生很高的推力。該形式核熱火箭的關(guān)鍵在于：第一，如何獲得一種穩(wěn)定的核燃料等離子體渦流，既保證充分加熱推進(jìn)劑又保證未燃燃料不被推進(jìn)劑帶走；第二，向運(yùn)行中燃料渦流補(bǔ)加核燃料的方式；第三，如何降低反應(yīng)腔內(nèi)壁上的熱負(fù)荷。目前，相關(guān)研究工作正在進(jìn)行中，已經(jīng)取得重要進(jìn)展。

2 國(guó)外發(fā)展歷程

2.1 蘇聯(lián)(俄羅斯)發(fā)展歷程

蘇聯(lián)的核火箭研制工作始于1953年，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，研究較為全面。到上世紀(jì)60年代中期，得到了一些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1) 核電推進(jìn)的發(fā)展

蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始了自己的空間核電源計(jì)劃。1965年首次使用了釙-210同位素電池，作為軍事通訊衛(wèi)星“宇宙-84”和“宇宙-90”的星載設(shè)備。1969年和1971年又使用了具有800 W功率的釙-210加熱器作為“月球車(chē)-1號(hào)”和“月球車(chē)-2號(hào)”的加熱部件。1996年11月16日俄羅斯發(fā)射的“火星-96”飛船使用了4臺(tái)23sPu電池，“火星-96”飛船于1996年11月18日墜落在南太平洋海域。

1987年發(fā)射的“宇宙-1818”和“宇宙-1867”偵察衛(wèi)星采用了先進(jìn)的熱離子轉(zhuǎn)換的熱中子反應(yīng)堆電源“TOPAZ-1”，輸出電功率為6 kW，壽命限于1～2年，已成功通過(guò)了飛行試驗(yàn)，目前正在研制第四代空間反應(yīng)堆電源“TOPAZ-4”。俄羅斯現(xiàn)在己經(jīng)把反應(yīng)堆和電推進(jìn)一起使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)俄羅斯發(fā)射了約35個(gè)基于反應(yīng)堆的航天器[9]。

2) 核熱推進(jìn)的發(fā)展

1953年先后成立多個(gè)核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制單位，包括第一、第九研究院；第456國(guó)家試驗(yàn)設(shè)計(jì)局；化學(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局等。在長(zhǎng)達(dá)二十多年時(shí)間里，他們研究了不同方案的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；采用不同反應(yīng)堆和不同工質(zhì)；建立了核發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)。

其中第456設(shè)計(jì)局先后研制了反應(yīng)堆為固相的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)： RD-401，工質(zhì)為氨，慢化劑為水，推力1 646 kN；RD-402，工質(zhì)為氨，慢化劑為鈹，推力1 680 kN，比沖428 s； RD-404，工質(zhì)為氫，慢化劑為氫化鋯，推力2 000 kN，比沖950 s；RD-405工質(zhì)為氫，慢化劑為氫化鋯，推力400～500 kN?；瘜W(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局研制的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(RD0410)，推力35.2 kN，比沖910 s。第一設(shè)計(jì)局研制了核電火箭，工質(zhì)為氙，比沖達(dá)到3 000 s，準(zhǔn)備用于蘇聯(lián)“無(wú)人登月計(jì)劃”的月球車(chē)上。此外，第456設(shè)計(jì)局還開(kāi)展了氣體芯反應(yīng)堆核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-600)的試驗(yàn)研究，比沖可達(dá)2 000 s左右[10]。

2007年4月俄羅斯電力技術(shù)研究與設(shè)計(jì)院發(fā)起召開(kāi)了一次有多部門(mén)參加的研討會(huì)，會(huì)議決定將核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)一種核動(dòng)力雙模式系統(tǒng)陸地原型裝置上，其電功率為100～500 kW。

俄羅斯自2010年起一直在研制一種基于兆瓦級(jí)核推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)輸核能源單元，旨在實(shí)施大規(guī)模空間探索計(jì)劃。

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，俄羅斯在2016年公布了一項(xiàng)利用核能推進(jìn)前往火星的太空計(jì)劃，該計(jì)劃將于2018年實(shí)施，能將當(dāng)前發(fā)射火箭至火星所需的18個(gè)月縮減至僅6個(gè)星期。2016年，俄羅斯原子能集團(tuán)公司(Rosatom)獲得該國(guó)在研核動(dòng)力火箭的首批試驗(yàn)燃料，Rosatom預(yù)計(jì)將于2018年公布擬作為太空發(fā)動(dòng)機(jī)的原型核反應(yīng)堆。

2.2 美國(guó)發(fā)展歷程

美國(guó)核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究是在“核火箭開(kāi)發(fā)計(jì)劃”(ROVER)和“用于空間推進(jìn)的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制計(jì)劃”(NERVA)項(xiàng)目資助下開(kāi)展的[11-13]。在ROVER/NERVA計(jì)劃以后的40年中，美國(guó)在等離子體物理研究和開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域內(nèi)投人幾億美元，取得了明顯的進(jìn)展[14-15]。

2.2.1 核電推進(jìn)的發(fā)展

從1961年開(kāi)始，美國(guó)能源部(DOE)為空間應(yīng)用提供放射性同位素發(fā)電機(jī)(RTG)，該發(fā)電機(jī)把钚-238衰變產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為航天器用電能，具有簡(jiǎn)單和高可靠的特點(diǎn)。截止2004年DOE提供了44個(gè)放射性同位素發(fā)電機(jī)，240個(gè)放射性同位素加熱器，涉及26個(gè)航天器型號(hào)，在阿波羅、海盜、先驅(qū)者、導(dǎo)航者、伽里略、卡西尼等深空探測(cè)任務(wù)中己經(jīng)成功和安全的應(yīng)用了放射性同位素發(fā)電機(jī)[16]。

1965年發(fā)射了SNAP-10A核裂變電功率系統(tǒng)。1979年開(kāi)始空間能源先進(jìn)反應(yīng)堆(SPAR)計(jì)劃，1983年開(kāi)始了由美國(guó)航空航天局(NASA)、國(guó)防部(DOD)、DOE聯(lián)合參與衍生于SPAR計(jì)劃的SP-100計(jì)劃，目標(biāo)是發(fā)展能夠提供10年工作周期內(nèi)7年滿(mǎn)功率數(shù)十到數(shù)百千瓦電源的核電技術(shù)，應(yīng)用包括軍事和民用。1998年美國(guó)發(fā)射的深空一號(hào)，是世界上第一個(gè)采用電推進(jìn)系統(tǒng)作為主推進(jìn)的深空探測(cè)器，以氙為推進(jìn)劑，功耗2.5 kW，推力92 mN，比沖3 100 s。1999年9月深空一號(hào)主任務(wù)結(jié)束，2001年12月完成延伸任務(wù)[17-18]。

2002年美國(guó)行政部門(mén)倡議了發(fā)展深空探測(cè)推進(jìn)與動(dòng)力的核空間促進(jìn)計(jì)劃，一年后由NASA組織落實(shí)了普羅米修斯計(jì)劃，發(fā)展核電推進(jìn)系統(tǒng)，該計(jì)劃支持了將于2015年左右發(fā)射的木星冰衛(wèi)軌道器任務(wù)的核電推進(jìn)用離子推力器，裂變電源功率從一千瓦到數(shù)百千瓦。2004年，NASA官員對(duì)美國(guó)國(guó)會(huì)撥款委員會(huì)證實(shí)，發(fā)展核電源和推進(jìn)人類(lèi)在空間持續(xù)生存的研究將是美國(guó)國(guó)家空間探測(cè)計(jì)劃的兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

2.2.2 核熱推進(jìn)的發(fā)展

ROVER是最初的NTR計(jì)劃，開(kāi)始于1953年。在此計(jì)劃之下，有幾種采用鈾-235燃料、氫推進(jìn)劑、石墨減速器的反應(yīng)堆進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)。反應(yīng)堆是核推進(jìn)的核心，這些反應(yīng)堆系列包括KIWI、Phoebus、Peewee-1和Nuclear Furnace-1。KIWI-B4E的性能在當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)中具有代表性的水平，比沖為840 s，反應(yīng)堆能量水平為937 MWt；Pheobus系列反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)行星際推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)際上其特定任務(wù)就是載人火星任務(wù)，比沖為840 s，反應(yīng)堆能量水平為5 000 MWt；Peewee反應(yīng)堆則主要是研發(fā)小型反應(yīng)堆的性能參數(shù)，1968年秋，Peewee試驗(yàn)了2 400 s，反應(yīng)堆能量水平為514 MWt[19]。

1955—1960年間，在內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場(chǎng)的核火箭開(kāi)發(fā)中心建立了大型的核火箭實(shí)驗(yàn)基地，進(jìn)行了14個(gè)不同系列反應(yīng)系統(tǒng)部件和發(fā)動(dòng)機(jī)組件的熱試車(chē)。1962年，美國(guó)基于載人月球探測(cè)工程啟動(dòng)了NERVA，利用ROVER的試驗(yàn)成果，研制一套推力35 t、比沖不低于825 s、持續(xù)工作時(shí)間超過(guò)1 h的飛行樣機(jī)。在1962—1972年間，共進(jìn)行了6次發(fā)動(dòng)機(jī)和整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的熱試車(chē)，考核其各種工作性能。其中包括：NRX-A6，反應(yīng)堆能量水平為1 125 MWt；XE-Prime試驗(yàn)了11次，最終在1969年工作了210 s，反應(yīng)堆能量水平達(dá)到了1 140 MWt。

2004年，NASA以火星表面著陸任務(wù)為焦點(diǎn)開(kāi)展了一項(xiàng)《載人火星探索設(shè)計(jì)參考架構(gòu)5.0》研究，該研究設(shè)想宇航員在火星上停留約540 d，深空飛行時(shí)間為1年，并選擇核熱火箭作為推進(jìn)系統(tǒng)。2010年《國(guó)家太空政策》提出，到2030年代中期，把宇航員送到火星軌道上并使之安全返回地球，NASA將核熱火箭選定為首選的載人火星探測(cè)推進(jìn)方案。2012年初，NASA與美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)公布了研究結(jié)果《空間技術(shù)路線(xiàn)圖與優(yōu)先任務(wù)》，選出16個(gè)最重要的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，作為未來(lái)NASA預(yù)算投資的指南，核熱火箭被列入其中的顯著位置。

2011年以來(lái)，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家與空間推進(jìn)研究公司(MSNW)開(kāi)展了一項(xiàng)新型核聚變火箭技術(shù)的研究，并稱(chēng)有望將載人火星航行變成現(xiàn)實(shí)。華盛頓大學(xué)提出的核聚變轉(zhuǎn)移飛船前往火星計(jì)劃已經(jīng)有了詳細(xì)的計(jì)算機(jī)建模和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并正在進(jìn)行第二輪研究計(jì)劃。2014年底，NASA確定了近期以技術(shù)成熟的石墨基體復(fù)合燃料為主，未來(lái)以高性能Cermet燃料為主開(kāi)展核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究，基于Cermet燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)用于執(zhí)行2031-2033年的火星貨運(yùn)任務(wù)，以及2033—2035年的載人探測(cè)火星任務(wù)[20]。在2015年2月召開(kāi)的空間核及新興技術(shù)會(huì)議(NETS)上，NASA研究人員提出在2020年左右研發(fā)出33 kN推力(可拓展至73～110 kN)的石墨基體復(fù)合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃于2024年開(kāi)展地面測(cè)試，并在2025年執(zhí)行月球任務(wù)。

1995年，NEBA-3核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)了設(shè)計(jì)方案論證，是由DOE資助空軍飛利浦實(shí)驗(yàn)室(Phillip Laboratory)設(shè)計(jì)的一種產(chǎn)生推力和發(fā)電的雙模式應(yīng)用核發(fā)動(dòng)機(jī)?？砂?0 N連續(xù)推力和900 N脈沖推力兩種方式工作，可分別在4.5 d和3 d內(nèi)將1 356 kg和1 939 kg有效載荷，從近地軌道推進(jìn)到同步軌道，并為衛(wèi)星提供10年的發(fā)電能力。該發(fā)動(dòng)機(jī)的核反應(yīng)堆是采用SP-100空間核電源工程樣機(jī)技術(shù)，外堆是采用GE-710核反應(yīng)堆加熱氫噴射形成推理的結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向主梁是可收縮、伸展的折疊式結(jié)構(gòu)，有效載荷艙安排在另一端。

3 啟示

核動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空母艦和潛艇之中，其動(dòng)力幾乎是取之不盡，用之不竭。所以從理論上說(shuō)，核推進(jìn)系統(tǒng)可以作為飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，用于長(zhǎng)距離的空間飛行。所以綜合借鑒國(guó)內(nèi)外核推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展歷程以及先進(jìn)案例，帶來(lái)以下啟示：

1) 深入研究星際飛行任務(wù)的路線(xiàn)與推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)系，參考國(guó)外已有的核推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，論證核推進(jìn)系統(tǒng)的總體指標(biāo)與實(shí)施可能性；

2) 開(kāi)展核電推進(jìn)系統(tǒng)的研制。實(shí)現(xiàn)核電推進(jìn)系統(tǒng)與空間平臺(tái)的結(jié)合；

3) 加強(qiáng)對(duì)核電反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)水平，大幅度提高空間核電反應(yīng)堆的輸出功率，提高核電推進(jìn)系統(tǒng)整體性能；

4) 開(kāi)展對(duì)固體芯核熱推進(jìn)系統(tǒng)的研究，開(kāi)展核熱推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)值仿真，實(shí)現(xiàn)核熱推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)方案；

5) 開(kāi)展更為先進(jìn)核反應(yīng)堆方案的預(yù)研工作，比如氣體芯核熱火箭。

4 結(jié)論

綜合國(guó)外多年來(lái)對(duì)核推進(jìn)方面的研究，核推進(jìn)系統(tǒng)完全可以作為飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，用于長(zhǎng)距離的空間飛行。核能推進(jìn)系統(tǒng)較化學(xué)能和太陽(yáng)能推進(jìn)系統(tǒng)，具有功率高、比沖大、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)決定著核能推進(jìn)系統(tǒng)將具有非常廣泛的應(yīng)用前景及市場(chǎng)價(jià)值。