美國敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目淺析

楊青格 吳洪洋 曹文麗 王歡 馬燕紅 李瑩

（1北京航天動力研究所 2中國兵工學(xué)會）

1 前言

核動力火箭可以有效縮短人類探索火星的旅程，從而降低探火任務(wù)的復(fù)雜性和機(jī)組人員的風(fēng)險。就效率而言，核動力火箭是傳統(tǒng)化學(xué)火箭的2倍以上，同時推進(jìn)劑消耗量更少，可以攜帶更多的設(shè)備載荷，完成多種科學(xué)目標(biāo)。

近年來，世界各國正在積極研發(fā)核動力火箭。其中，美國于2021年正式啟動敏捷地月運(yùn)行示范火箭（DRACO）項目，發(fā)起單位為美國國防高級研究計劃局（DARPA）。2023年初，美國國家航空航天局（NASA）也加入了該項目。2023年7月，DARPA和NASA正式確定洛馬公司（LM）為實驗性核熱火箭（NTR）飛行器（X-NTRV）的制造商。按計劃，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目將于2027年（前）在軌道上發(fā)射第一枚試驗飛行器，飛行時間大約為2個月。

本文立足于美國敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目概況，深入分析其核熱試驗飛行器的反應(yīng)堆技術(shù)和核熱發(fā)動機(jī)技術(shù)，從而揭示了敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目對于美國航天領(lǐng)域的現(xiàn)實意義和影響。

2 敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目簡介

敏捷地月運(yùn)行示范火箭是美國最新的核熱火箭項目，由NASA負(fù)責(zé)核熱發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作，DARPA負(fù)責(zé)監(jiān)督項目的其他部分，洛馬公司將負(fù)責(zé)核熱火箭或飛船的設(shè)計、集成和測試工作，并與BWX技術(shù)公司（BWX Technologies）合作開發(fā)實驗性核熱火箭飛行器核的反應(yīng)堆，提供高純度低濃縮鈾推進(jìn)劑（HALEU）。

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目共分為三個實施階段。2021年4月，DARPA宣布敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目第一階段的任務(wù)周期為18個月，共涉及兩個軌道：軌道A用于核熱火箭反應(yīng)堆的基線設(shè)計，軌道B則開發(fā)了一個運(yùn)行系統(tǒng)概念，用以滿足運(yùn)行任務(wù)目標(biāo)，同時還開發(fā)了一個可以追溯到運(yùn)行系統(tǒng)但側(cè)重于演示推進(jìn)子系統(tǒng)的演示系統(tǒng)。通用原子公司（GA）負(fù)責(zé)軌道A，合同價值為2200萬美元；藍(lán)源公司（Blue Origin）負(fù)責(zé)軌道B，合同價值為250萬美元。

到了第二階段和第三階段，NASA和DARPA將進(jìn)行飛行器演示試驗，計劃時間為2027年（前）。其中，第二階段將對無核燃料的火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷流試驗，任務(wù)周期為24個月，旨在完成演示系統(tǒng)的最終設(shè)計，并建立更多的實驗性核熱火箭驗證系統(tǒng)。第三階段將完成演示系統(tǒng)的全部試驗，任務(wù)周期為15個月，包括完成核反應(yīng)堆與發(fā)射系統(tǒng)的組裝，對實驗性核熱火箭進(jìn)行全功率的在軌飛行測試。當(dāng)進(jìn)行飛行測試時，核試驗飛行器將搭載獵鷹-9（Falcon-9）或“火神”（Vulcan）火箭入軌，其外觀與傳統(tǒng)火箭的上面級基本相同，主要組件為一個大型氫貯箱、一個核反應(yīng)堆、一個航天器的桁架結(jié)構(gòu)，以及一個噴管。

3 實驗性核熱火箭的核反應(yīng)堆技術(shù)

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目借鑒了美國之前的核熱技術(shù)項目“火箭飛行器應(yīng)用核發(fā)動機(jī)”（NERVA），該項目的技術(shù)測試數(shù)據(jù)將有助于確保敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目設(shè)計的安全性，以及在最短的時間內(nèi)早日實現(xiàn)計劃目標(biāo)。相比于曾經(jīng)使用的高濃縮鈾，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目改用了HALEU燃料。

為了避免核反應(yīng)堆在地球大氣層或低軌道爆炸的風(fēng)險，航天飛行器X-NTRV在2027年發(fā)射時將由美國天軍（USSF）使用傳統(tǒng)火箭發(fā)射。作為一項額外的安全措施，發(fā)動機(jī)的裂變反應(yīng)堆在整個發(fā)射過程中將處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在到達(dá)指定軌道后才會開啟。此時，基于裂變的反應(yīng)堆將使用HALEU燃料，將低溫氫轉(zhuǎn)化為高溫加壓氣體。盡管最終軌道尚未確定，但很可能處在地球表面上方700～2000km，盡量減少核泄漏對太空環(huán)境的影響。同時，在發(fā)射過程中，火箭發(fā)動機(jī)將配備“毒線”（Poison Wire），這是一種吸收了中子的金屬，其作用就像地球上核反應(yīng)堆中的控制棒一樣，控制棒完全插入反應(yīng)中心時能夠吸收大量中子，以阻止裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。

NASA表示，當(dāng)敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目順利完成可行性驗證后，將會開展火星探索任務(wù)。按計劃，預(yù)計在21世紀(jì)30年代末或40年代初將航天員送到火星，而核動力火箭是載人火星任務(wù)路線圖上的重要一環(huán)。核動力火箭將降低任務(wù)的復(fù)雜性和機(jī)組人員的安全風(fēng)險，從而使前往火星的旅程更快。這類火箭的能效是傳統(tǒng)化學(xué)火箭的2倍以上，需要的推進(jìn)劑更少，并且可以攜帶更多設(shè)備來實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，并且可為儀器和通信系統(tǒng)提供更多能量。

4 實驗性核熱火箭的推進(jìn)技術(shù)

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目的實驗性核熱火箭推進(jìn)技術(shù)，沿用了NASA在20世紀(jì)60年代所設(shè)計的核熱發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了一些調(diào)整。以下為新舊兩款核熱火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

月球核反應(yīng)堆概念圖

在開發(fā)微重力環(huán)境下運(yùn)行的核反應(yīng)堆時，除了核發(fā)動機(jī)的技術(shù)測試外，還需要很多其他的新技術(shù)，尤其是在管理飛行器的液氫推進(jìn)劑方面，也將付出巨大的努力。液氫只能成功在太空中儲存數(shù)天，因為它在-253.15℃的超低溫下會沸騰。該試驗飛行器將嘗試在超低溫狀態(tài)下把液氫儲存幾個月，以便有足夠的時間對核熱發(fā)動機(jī)進(jìn)行多次測試。當(dāng)推進(jìn)劑耗盡后，盡管地面上的任務(wù)控制人員仍將保持與飛行器的通信，但發(fā)動機(jī)將無法繼續(xù)工作。如果能用機(jī)器人為飛船補(bǔ)充燃料，任務(wù)時間還可以延長。除了難以儲存的缺點，就質(zhì)量而言，液氫具有很大的優(yōu)勢，其密度低于傳統(tǒng)的火箭燃料。

現(xiàn)階段美國核熱火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目計劃可知，當(dāng)進(jìn)行核熱火箭演示實驗時，將使用2000kg液氫和100kg鈾。到達(dá)安全軌道后，反應(yīng)堆便會立即開啟。核熱發(fā)動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)的膨脹循環(huán)情況下，需要在1s內(nèi)將-253.15℃的液氫加熱到2426.85℃，然后將加熱后的液氫從噴管噴出，從而產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的太空推進(jìn)技術(shù)相比，核熱火箭的推重比大約是電力推進(jìn)的10000倍，比沖（即推進(jìn)劑效率）為化學(xué)推進(jìn)劑的2～5倍。相比于太空測試，地面測試將會花費(fèi)更多成本，主要原因在于地面上難以捕獲發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時的排放物，以及需要確保裂變產(chǎn)物不會釋放到大氣中。因此，在測試核熱發(fā)動機(jī)時首選太空測試，其軌道高度范圍在700～2000km。

5 敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目的現(xiàn)實意義和影響

現(xiàn)實意義

在敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目框架內(nèi)，美國火箭的推進(jìn)效率將會得到大幅度提升。其核熱發(fā)動機(jī)不僅可以用于后續(xù)的太空任務(wù)，還能為其他領(lǐng)域提供強(qiáng)大的動力保障。

（1）提高航天動力的推進(jìn)效率

通過敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目，DARPA旨在實現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母咄浦乇?，這些系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的火箭燃料方式，將能夠通過電力系統(tǒng)實現(xiàn)高效推進(jìn)。這種組合將賦予該項目航天器更高的靈活性，以實現(xiàn)美國國防部（DoD）對于快速機(jī)動的核心要求。

該項目的關(guān)鍵技術(shù)包括測試發(fā)動機(jī)的渦輪機(jī)械設(shè)備，了解反應(yīng)堆的性能，操縱發(fā)動機(jī)的性能，使其起動、重啟和節(jié)流，然后使用收集的數(shù)據(jù)驗證地面模型的可行性。這些地面模型將為美國航天事業(yè)提供工程學(xué)基礎(chǔ)，了解核推進(jìn)火箭在火星旅行中發(fā)揮的作用。

（2）為美國拓展太空事業(yè)提供動力

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目還將為美國提供跨越式的推進(jìn)能力。核熱發(fā)動機(jī)可以實現(xiàn)與化學(xué)推進(jìn)類似的大推力，但效率要高出2～3倍。這些功能更強(qiáng)大、效率更高的核熱推進(jìn)系統(tǒng)可以縮短與目的地之間的飛行時間。對未來而言，縮短飛行時間對人類火星任務(wù)至關(guān)重要，可以減少乘員暴露在輻射中的時間，是一項可用于向月球運(yùn)送人類和材料的主要技術(shù)。更重要的是，具有超高安全性、可重復(fù)使用的核動力飛船將會在很大程度上改變?nèi)祟惖奶罩谩?/p>

（3）其他領(lǐng)域的動力補(bǔ)充

除了推進(jìn)航天器之外，核能還能提供加熱和其他形式的動力。隨著核熱推進(jìn)燃料和設(shè)計技術(shù)的日趨完善，美國將會進(jìn)一步拓展太空業(yè)務(wù)，為本國以及全世界提供核產(chǎn)品及服務(wù)。例如：洛馬公司在核控制領(lǐng)域擁有專業(yè)的技術(shù)，其曾為很多行星任務(wù)制造了大量的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器，并在低溫氫存儲和傳輸方面也做了很多投資。就深空探索任務(wù)而言，這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用于核熱火箭項目，傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)也將受益于此。

影響

除了項目本身攜帶的太空實用意義，借助于敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目，美國還將獲得很多潛在的利益，這將對日后美國的發(fā)展產(chǎn)生非常重大的影響。

2020年12月，白宮發(fā)布了《航天政策6號令》（SPD-6），正式提出了國家太空核動力與推進(jìn)戰(zhàn)略（SNPP）。NASA在一份概述該指令的聲明中表示，空間核動力系統(tǒng)為航天器提供動力，以執(zhí)行替代動力源不足的任務(wù)，例如：在太暗的環(huán)境中無法使用太陽能，或者距離太遠(yuǎn)無法攜帶足夠數(shù)量的化學(xué)燃料。NASA表示，核動力系統(tǒng)將在未來的太空旅行中發(fā)揮關(guān)鍵作用，它將把人類帶到比以往更遠(yuǎn)的地方。

美國《航天政策6號令》加快了該機(jī)構(gòu)開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性核系統(tǒng)的進(jìn)程，包括能夠持續(xù)為其他項目提供核動力技術(shù)，從而推動未來人類火星任務(wù)的早日實現(xiàn)。美國正在利用機(jī)動性來保持在陸、海、空領(lǐng)域的優(yōu)勢。然而，由于推進(jìn)系統(tǒng)的限制，太空機(jī)動更具挑戰(zhàn)性。因此，為了保持太空技術(shù)優(yōu)勢，美國需要躍進(jìn)式推進(jìn)技術(shù)，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項目將提供相關(guān)的技術(shù)支持。

6 小結(jié)

總之，憑借更快的速度、更高的靈活性和機(jī)動性，核熱推進(jìn)系統(tǒng)在國家太空安全領(lǐng)域的應(yīng)用將變得復(fù)雜多樣。如果后續(xù)的飛行試驗取得圓滿成功，這將為美國未來部署所有基于裂變的核空間技術(shù)鋪平道路，也將推動人類在太空領(lǐng)域走得更快、更遠(yuǎn)。