太空核推進技術引領深空探索動力變革

張嘉毅（國務院發(fā)展研究中心國際技術經(jīng)濟研究所）

當前，全球太空探索進入大發(fā)展時代，飛得更快、飛得更遠成為航天大國追求的更高目標。核動力火箭具有功率高、比沖大、工作時間長等特點，十分契合深空探索、深空運輸?shù)热蝿招枨?，是未來太空運輸技術發(fā)展的重要方向之一。美國國家航空航天局（NASA）副首席技術官大衛(wèi)·施泰茨曾表示，為實現(xiàn)人類火星任務，美國應創(chuàng)建國家太空核推進實驗室，開發(fā)太空核推進這一將改變太空旅行游戲規(guī)則的關鍵技術。

1 太空核推進技術將為深空探索帶來新動力

目前，全球運載火箭主要依靠化學燃料提供動力，但化學火箭比沖較低，約為500s，并已接近極限，很難滿足未來深空探測和太空運輸所需的長距離和長時間飛行需求。同時，化學火箭需要攜帶燃燒劑和氧化劑兩種推進劑組元，自身發(fā)射重量較大，發(fā)射成本高。

核動力火箭發(fā)動機工作原理與液體火箭類似，借助核反應堆替代化學燃燒室，利用核反應釋放的熱量直接加熱工質，使其從噴管中高速噴出，從而產(chǎn)生巨大推力。根據(jù)反應類型不同，核動力火箭發(fā)動機可分為核裂變和核聚變兩類。核裂變火箭發(fā)動機采用核裂變反應堆，并且采用分子量最低的氫作為工質，可得到極高的噴氣速度，其比沖比化學能火箭高出數(shù)倍，達到1000s。核聚變火箭發(fā)動機利用反應堆產(chǎn)生的熱能轉化為電能，推進方式主要包括脈沖核聚變推進和磁約束核聚變推進。

核動力火箭推進器提供的推重比約為電力推進器的10000 倍，效率比太空化學推進器高2～5 倍。因此，核動力推進是一種兼具電推進的高比沖與化學火箭大推力優(yōu)點的推進方式，是引領未來深空探索動力變革的重要技術方向。

2 美國高度重視核熱推進技術應用，積極推進核熱火箭研制進程

美國作為太空大國對核熱推進技術研究由來已久。美國自20 世紀50 年代中期以來實施了多項核火箭計劃，包括“核火箭開發(fā)計劃”（ROVER）、“用于太空推進的核火箭發(fā)動機的研制計劃”（NERVA）、“太空核熱推進計劃”（SNTP）、“太空探索倡議”（SEI）、“普羅米修斯計劃”（Prometheus Project）等。據(jù)統(tǒng)計，NASA 在1959-1972 年進行過23 次核熱推進反應堆測試，并研制了核動力發(fā)動機，但隨著1972 年美國國會放棄登陸火星的計劃，相關項目和技術研發(fā)隨之終止。

2017 年，美國時任總統(tǒng)特朗普簽署《航天政策1 號令》（SPD-1），宣布美國將重返月球，并最終前往火星，掀起新一輪深空探索熱潮。2020 年12 月，美國政府發(fā)布《航天政策6 號令》，從國家層面要求組織科學研發(fā)，提升太空核技術能力，通過應用太空核動力技術，保持并加強美國在太空領域的優(yōu)勢地位。此后，美國繼續(xù)推進核熱火箭研發(fā)進程。

2021 年4 月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）授予通用原子（GA-ASI）、藍色起源（Blue Origin）和洛馬公司（LM）“敏捷地月運行演示驗證火箭”（DRACO）項目第一階段合同。DRACO項目旨在2025 年在低地球軌道上演示驗證核熱推進（NTP）系統(tǒng)，以提升美國航天器在地月空間內的機動能力。DRACO 項目的第一階段約18 個月，包括兩項任務：一是對NTP 反應堆和推進子系統(tǒng)概念進行初步設計；二是將設計“演示驗證系統(tǒng)”（DS）航天器概念?！懊艚莸卦逻\行演示驗證火箭”概念圖如圖1 所示。

圖1 “敏捷地月運行演示驗證火箭”概念圖

2022 年5 月，DARPA 發(fā)布DRACO 項目的第二和第三階段征詢書，設計、開發(fā)、制造和組裝核熱火箭發(fā)動機。其中，第二階段的目標是完成演示系統(tǒng)的初步和詳細設計，并建造和試驗核熱火箭發(fā)動機；第三階段的目標是在2026 財年進行核熱火箭發(fā)動機的全功率在軌飛行試驗。2022 年11 月，美國通用電子電磁系統(tǒng)公司宣布，完成DRACO 計劃A 任務第一階段關鍵里程碑，包括交付核熱推進反應堆和發(fā)動機的基線設計，并使用NASA 核熱火箭元件環(huán)境模擬器成功測試核反應堆的耐高溫元件等關鍵部件。

2023 年1 月，NASA 和DARPA 宣布合作開發(fā)和測試核熱火箭發(fā)動機，為推進DRACO 項目提供支持。根據(jù)合作協(xié)議，NASA 太空技術任務理事會將負責核熱發(fā)動機的技術開發(fā)；DARPA 將負責包括火箭系統(tǒng)集成和采購、批準、調度和安全，并確保發(fā)動機與航天器的整體組裝與集成。NASA 局長比爾·尼爾森表示，NASA 和DARPA 最快將在2027 年開發(fā)并演示先進的核熱推進技術，為未來載人火星任務奠定基礎。7 月，DARPA 和NASA 聯(lián)合授予洛馬公司一份價值約5 億美元的合同，用于設計和建造核熱推進發(fā)動機的實驗火箭。該火箭將利用核裂變獲取動力，擬于2025-2026 年完成演示驗證。

2023 年10 月，NASA 授予美國超安全核技術公司價值500 萬美元合同，用于研發(fā)NTP 系統(tǒng)。該公司于2023 年初向NASA 的太空核能源和推進項目交付了“三結構同向性型”（TRISO）核燃料。此外，該公司將與藍色起源公司合作，共同推進NTP 發(fā)動機的研發(fā)工作。

2023 年11 月，美空軍研究實驗室授予洛馬公司價值3370 萬美元合同，用于為“聯(lián)合新興在軌核補給技術”（JETSON）項目開發(fā)核動力航天器。JETSON 項目旨在將裂變反應堆發(fā)射入軌，通過反應堆產(chǎn)生熱量實現(xiàn)電能轉化，為航天器載荷或電推進系統(tǒng)提供動力。未來，洛馬公司將與太空核動力公司（Space Nukes）和BWX 技術公司（BWXT）合作，共同開展JETSON 項目研發(fā)。

3 俄羅斯推進核動力太空拖船技術研發(fā)

作為傳統(tǒng)的核能開發(fā)應用強國，蘇聯(lián)/俄羅斯在太空核能技術方面一直處于世界領先地位，早在20 世紀60-70 年代就發(fā)射了多枚核能供電的衛(wèi)星、探測器。自蘇聯(lián)解體后，俄羅斯受經(jīng)濟等多方因素影響放緩了在太空探索技術方面的研發(fā)力度，但是在核能應用領域的研究未曾中斷。

2020 年12 月，俄羅斯航天國家集團公司（ROSCOSMOS）與圣彼得堡設計局阿森納公司（Arsenal）簽署了一份價值5700 萬美元的合同，開展“宙斯”（Nuclon）核動力太空拖船的初步設計工作。2022 年4 月，俄羅斯首次展示了“宙斯”核動力太空拖船的工作原理?！抖砹_斯宇宙》雜志介紹稱，作為載熱介質的氣體經(jīng)過反應堆，后者通過核裂變釋放熱量，被加熱的氣體帶動渦輪，后者與發(fā)電機連接，產(chǎn)生電能，并通過氣體壓縮機實現(xiàn)氣體在封閉回路中的循環(huán)。

“宙斯”太空拖船核反應堆將能滿足拖船在地球軌道與太空站之間的穿梭任務，還能助力月球基地建設，更有望執(zhí)行深空探測任務?！爸嫠埂碧胀洗b備有兆瓦級核動力裝置，可在200 天內實現(xiàn)從近地球軌道向月球軌道運載10t 有效載荷的能力，并可為軌道站或著陸艙提供電力支持。未來，“宙斯”不僅可為航天器推進系統(tǒng)提供動力，還可為月球、火星、金星和小行星帶等深空探測任務提供動力支持?！爸嫠埂碧胀洗难邪l(fā)將有助于推進月球基地建設和人類對太空的深入探索。

4 英國公司探索核聚變火箭推進技術

2023 年7 月，英國脈沖星聚變公司（Pulsar Fusion）稱其正在建造一款核聚變火箭發(fā)動機。該款發(fā)動機采用直接聚變驅動（DFD），是一種緊湊型核聚變發(fā)動機，可為航天飛船提供推力和電力。該發(fā)動機使用氘和氦-3 作為推進劑，可提供10～101N 的推力，速度可達8×105km/h，能夠將火星任務時間縮短一半，并使土星任務時間從10 年縮短到2 年。該公司的數(shù)據(jù)模型顯示，核聚變發(fā)動機具備在4 年內將質量約1t 的航天器推進到冥王星的能力[美國旅行者-2（Voyager-2）探測器飛行12 年才飛掠冥王星]，還可為有效載荷提供約2MW 的電力支持。核聚變火箭概念設計圖如圖2 所示。

圖2 英國脈沖星聚變公司核聚變火箭概念設計圖

據(jù)公司網(wǎng)站介紹，該發(fā)動機的研制已進入第三階段，即初始測試單元的制造階段，靜態(tài)測試將于2024 年開始，于2027 年進行在軌演示。該公司在英國布萊奇利建造了核聚變反應室，并與新澤西州的普林斯頓衛(wèi)星系統(tǒng)合作，利用超級計算機模擬等離子體在電磁約束下的活動，以及等離子體在離開火箭發(fā)動機時的狀態(tài)，為核聚變火箭發(fā)動機設計提供數(shù)據(jù)支持。

脈沖星聚變公司由理查德·迪南于2011 年創(chuàng)立，總部位于英國牛津，目前為航空航天和國防部門生產(chǎn)霍爾推力器和二級火箭發(fā)動機。該公司于2022 年獲得了英國航天局的資助，與核先進制造研究中心以及劍橋大學共同開發(fā)核裂變電推進系統(tǒng)。

5 印度空間研究組織開展核動力推進系統(tǒng)研發(fā)

長期以來，印度將太空力量發(fā)展視為提升綜合國力和全球影響力的重要抓手，在火箭運力提升、衛(wèi)星體系構建、商業(yè)航天發(fā)展等領域多向發(fā)力。其中，核動力推進技術的發(fā)展將為提升航天器動能提供重要支持，受到了印度太空研發(fā)機構的關注。

2023 年7 月，印度空間研究組織（ISRO）與巴巴原子研究中心（BARC）合作開發(fā)先進的核動力推進系統(tǒng)。該推進系統(tǒng)主要由兩個關鍵部件組成，包括放射性同位素熱發(fā)電機（RTG）和放射性同位素加熱器（RHU）。其中，RTG 采用钚238 或鍶90 等放射性材料，將材料衰變釋放的熱能轉化為電能。目前，RTG 系統(tǒng)已在多項深空任務中有所應用，美國的“旅行者”（Voyager）外層星系太空探測器、“卡西尼”（Cassini）行星探測器和“好奇”（Curiosity）火星探測器都利用了RTG 系統(tǒng)提供電力支持。RHU也是通過放射性材料衰變提供熱量的小型設備，類似于微型RTG，通常可提供約1W 的熱量，熱量可持續(xù)釋放幾十年，甚至一個世紀。RHU 可在深空飛行任務中釋放熱量，為飛行器載荷工作提供適宜的溫度環(huán)境，避免儀器受過低溫度影響而損壞。

6 深空探索未來可期

深空探索是人類探尋宇宙奧秘、拓展空間認知、實施技術創(chuàng)新的重要領域。核動力技術作為具有顛覆潛力的深空推進技術，將為人類加快科學探索步伐提供“新引擎”，為月球開發(fā)、載人探火、小行星研究以及太陽系邊緣探索等任務提供關鍵技術支撐。目前，以美國為首的西方國家正借《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords）開展對月球的探索活動，并擬將月球打造為地外前沿基地，在搶占月球戰(zhàn)略要地的同時，為后續(xù)火星、小行星等更遠更深的探測任務提供中轉中繼服務。美英等國加緊推進核動力技術研發(fā)測試，擬大幅提升在地月空間內的機動、運載等能力，為擴大深空競爭優(yōu)勢奠定技術基礎。近年來，我國正穩(wěn)步推進月球探索活動步伐，不僅通過實施嫦娥工程，實現(xiàn)了“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略，更是在2023 年5 月宣布2030 年前實現(xiàn)首次載人登月的宏偉目標。為加快推進航天強國建設，中國也應抓住時機，以深空探索運輸系統(tǒng)需求為牽引，圍繞核動力火箭技術開展論證和研究工作，助力中國探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠。