空間核推進系統綜述與展望

張夢龍，張 悅，王寶和

(中國人民解放軍91550部隊， 遼寧 大連 116023)

從現實和長遠來看，對深空的探測和開發具有十分重要的科學、軍事和經濟意義。過去的50多年，美國、前蘇聯、歐空局及日本等先后發射了200多個行星際探測器，包括月球探測器及金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的探測器[1-2]。

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

依據能量轉化的形式，當前的推進系統可以粗略劃分為“化學能推進”、“太陽能推進”、“核推進”等。化學能推進由于比沖小、能量密度低，很難滿足未來空間活動的需要；太陽能則由于工作環境的限制，無法完成遠離太陽的航行需求。熱核推進具有功率高、壽命長、比沖大、不受外界環境影響等特點，特別是推進系統工作時間的增加，熱核推進的質量優勢更加明顯。熱核反應堆可以長時間提供能量，不需要太陽能等外部能量，對外太空表面的輻射帶也不敏感。因此，對于遠離太陽的行星際飛行或者太陽系外探測，核能似乎是唯一可行的能源。

1 核推進系統

與化學能推進的定義類似，核推進是利用核能進行推進的形式。在當前可控核聚變尚未安全實現的情況下，利用放射性衰變與可控核裂變產生的能量是核推進的主要方式，而根據核能在推進系統中的進一步轉化方式，核推進又分為核電推進(Nuclear Electronic Propulsion，NEP)與核熱推進(Nuclear Thermal Propulsion，NTP)。

1.1 核電推進系統

核電推進實際上就是將核能進一步轉化為電能，類似于在飛行器上搭建一個微型的核電廠，利用轉化而來的電能作為推進能量，其后續推進形式實際上就是電推進，目前國內外都在進行研究，圖1即為空間電推進系統示意圖。

核電推進的實質是采用核能源的電推進技術。核電推進系統主要包括3個主要子系統：核能源子系統、核電轉換子系統和電推進子系統。其中核能源子系統即核能產生裝置，目前太空核能的主要產生方式是放射性同位素衰變與核反應堆裂變；核電轉換子系統是將放射性同位素或反應堆釋放出的熱能，通過熱電轉換或者其他的方式轉換成電能的裝置[3]；電推進子系統是將電能進一步轉換成航天器動能的裝置，國外已有的研究中，用于NEP的電推進類型包括離子推力器(IE)、霍爾推進器(HET)等。

1.2 核熱推進系統

核熱推進就是將核能進一步轉化為工質的熱能(由于裂變產物極少，不能作為工質，所以必須攜帶工質)，再利用噴管或者其他裝置將熱能轉化為動能進行推進，其本質是熱推進。通常核熱發動機又分為固體堆芯、氣體堆芯和液氧增強型核熱發動機(LANTR)[4-5]。固體堆芯核熱發動機是指其反應堆為固體裂變物質，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世紀五六十年代以來，固體堆芯核推進已經發展到接近空間應用的階段[6-7]；氣體堆芯核熱發動機是指其反應堆為氣體形式，反應堆的溫度達到上萬度的高溫，比沖達3 000～5 000 s；LANTR 使用噴管的擴張段作為加力燃燒室，在這里噴入氧氣，與來自發動機喉部被核反應堆加熱的氫進行超音速燃燒，這意味著使用更小型的NTR發動機可以獲得“大發動機”的性能。

圖2給出了核熱火箭發動機的示意圖。NTP系統主要由裝在推力室承壓殼體內的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統和控制系統組成。其工作原理與液體火箭發動機中的推進系統類似，所不同的是化學燃燒被核反應堆代替。在NTP中，推進劑通常使用液氫。因為氫的分子量最小，可以使NTP達到較高的比沖。工作中，推進劑在進入燃燒室前，通常先用來冷卻發動機部件，然后進入燃燒室被加熱，從而提高其滯止焓，然后通過收縮-擴張噴管達到超聲速。控制系統可以通過調節工質氫的流量和控制核反應的功率，以使發動機的推力能滿足實際飛行的需要。因此，NTP的核心目標就是如何構造一個反應堆芯來高效地將熱能傳遞給推進劑，同時保證其質量最小，運行最安全。

圖3是目前正進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動機更為高效的形式。其基本原理是：在核系統中，噴入的鈾形成渦流。把鈾運轉到臨界狀態，沿著軸向將氫氣體加熱到極高的溫度，而后從噴嘴排出產生很高的推力。該形式核熱火箭的關鍵在于：第一，如何獲得一種穩定的核燃料等離子體渦流，既保證充分加熱推進劑又保證未燃燃料不被推進劑帶走；第二，向運行中燃料渦流補加核燃料的方式；第三，如何降低反應腔內壁上的熱負荷。目前，相關研究工作正在進行中，已經取得重要進展。

2 國外發展歷程

2.1 蘇聯(俄羅斯)發展歷程

蘇聯的核火箭研制工作始于1953年，持續時間較長，研究較為全面。到上世紀60年代中期，得到了一些初步的實驗結果。

1) 核電推進的發展

蘇聯在20世紀60年代開始了自己的空間核電源計劃。1965年首次使用了釙-210同位素電池，作為軍事通訊衛星“宇宙-84”和“宇宙-90”的星載設備。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-1號”和“月球車-2號”的加熱部件。1996年11月16日俄羅斯發射的“火星-96”飛船使用了4臺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年發射的“宇宙-1818”和“宇宙-1867”偵察衛星采用了先進的熱離子轉換的熱中子反應堆電源“TOPAZ-1”，輸出電功率為6 kW，壽命限于1～2年，已成功通過了飛行試驗，目前正在研制第四代空間反應堆電源“TOPAZ-4”。俄羅斯現在己經把反應堆和電推進一起使用，據統計俄羅斯發射了約35個基于反應堆的航天器[9]。

2) 核熱推進的發展

1953年先后成立多個核熱火箭發動機的研制單位，包括第一、第九研究院；第456國家試驗設計局；化學自動化設計局等。在長達二十多年時間里，他們研究了不同方案的核火箭發動機；采用不同反應堆和不同工質；建立了核發動機試驗基地，并進行了大量試驗。

其中第456設計局先后研制了反應堆為固相的核火箭發動機： RD-401，工質為氨，慢化劑為水，推力1 646 kN；RD-402，工質為氨，慢化劑為鈹，推力1 680 kN，比沖428 s； RD-404，工質為氫，慢化劑為氫化鋯，推力2 000 kN，比沖950 s；RD-405工質為氫，慢化劑為氫化鋯，推力400～500 kN。化學自動化設計局研制的核火箭發動機(RD0410)，推力35.2 kN，比沖910 s。第一設計局研制了核電火箭，工質為氙，比沖達到3 000 s，準備用于蘇聯“無人登月計劃”的月球車上。此外，第456設計局還開展了氣體芯反應堆核火箭發動機(RD-600)的試驗研究，比沖可達2 000 s左右[10]。

2007年4月俄羅斯電力技術研究與設計院發起召開了一次有多部門參加的研討會，會議決定將核熱火箭發動機設計工作的重點放在開發一種核動力雙模式系統陸地原型裝置上，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核推進系統的運輸核能源單元，旨在實施大規模空間探索計劃。

據國外媒體報道，俄羅斯在2016年公布了一項利用核能推進前往火星的太空計劃，該計劃將于2018年實施，能將當前發射火箭至火星所需的18個月縮減至僅6個星期。2016年，俄羅斯原子能集團公司(Rosatom)獲得該國在研核動力火箭的首批試驗燃料，Rosatom預計將于2018年公布擬作為太空發動機的原型核反應堆。

2.2 美國發展歷程

美國核火箭發動機研究是在“核火箭開發計劃”(ROVER)和“用于空間推進的核火箭發動機的研制計劃”(NERVA)項目資助下開展的[11-13]。在ROVER/NERVA計劃以后的40年中，美國在等離子體物理研究和開發功能強大的計算機仿真領域內投人幾億美元，取得了明顯的進展[14-15]。

2.2.1 核電推進的發展

從1961年開始，美國能源部(DOE)為空間應用提供放射性同位素發電機(RTG)，該發電機把钚-238衰變產生的熱能直接轉換為航天器用電能，具有簡單和高可靠的特點。截止2004年DOE提供了44個放射性同位素發電機，240個放射性同位素加熱器，涉及26個航天器型號，在阿波羅、海盜、先驅者、導航者、伽里略、卡西尼等深空探測任務中己經成功和安全的應用了放射性同位素發電機[16]。

1965年發射了SNAP-10A核裂變電功率系統。1979年開始空間能源先進反應堆(SPAR)計劃，1983年開始了由美國航空航天局(NASA)、國防部(DOD)、DOE聯合參與衍生于SPAR計劃的SP-100計劃，目標是發展能夠提供10年工作周期內7年滿功率數十到數百千瓦電源的核電技術，應用包括軍事和民用。1998年美國發射的深空一號，是世界上第一個采用電推進系統作為主推進的深空探測器，以氙為推進劑，功耗2.5 kW，推力92 mN，比沖3 100 s。1999年9月深空一號主任務結束，2001年12月完成延伸任務[17-18]。

2002年美國行政部門倡議了發展深空探測推進與動力的核空間促進計劃，一年后由NASA組織落實了普羅米修斯計劃，發展核電推進系統，該計劃支持了將于2015年左右發射的木星冰衛軌道器任務的核電推進用離子推力器，裂變電源功率從一千瓦到數百千瓦。2004年，NASA官員對美國國會撥款委員會證實，發展核電源和推進人類在空間持續生存的研究將是美國國家空間探測計劃的兩個關鍵領域。

2.2.2 核熱推進的發展

ROVER是最初的NTR計劃，開始于1953年。在此計劃之下，有幾種采用鈾-235燃料、氫推進劑、石墨減速器的反應堆進行了設計、制造和試驗。反應堆是核推進的核心，這些反應堆系列包括KIWI、Phoebus、Peewee-1和Nuclear Furnace-1。KIWI-B4E的性能在當時的試驗中具有代表性的水平，比沖為840 s，反應堆能量水平為937 MWt；Pheobus系列反應堆的設計是為了適應行星際推進系統，實際上其特定任務就是載人火星任務，比沖為840 s，反應堆能量水平為5 000 MWt；Peewee反應堆則主要是研發小型反應堆的性能參數，1968年秋，Peewee試驗了2 400 s，反應堆能量水平為514 MWt[19]。

1955—1960年間，在內華達州核試驗場的核火箭開發中心建立了大型的核火箭實驗基地，進行了14個不同系列反應系統部件和發動機組件的熱試車。1962年，美國基于載人月球探測工程啟動了NERVA，利用ROVER的試驗成果，研制一套推力35 t、比沖不低于825 s、持續工作時間超過1 h的飛行樣機。在1962—1972年間，共進行了6次發動機和整個推進系統的熱試車，考核其各種工作性能。其中包括：NRX-A6，反應堆能量水平為1 125 MWt；XE-Prime試驗了11次，最終在1969年工作了210 s，反應堆能量水平達到了1 140 MWt。

2004年，NASA以火星表面著陸任務為焦點開展了一項《載人火星探索設計參考架構5.0》研究，該研究設想宇航員在火星上停留約540 d，深空飛行時間為1年，并選擇核熱火箭作為推進系統。2010年《國家太空政策》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推進方案。2012年初，NASA與美國國家研究理事會公布了研究結果《空間技術路線圖與優先任務》，選出16個最重要的技術發展領域，作為未來NASA預算投資的指南，核熱火箭被列入其中的顯著位置。

2011年以來，華盛頓大學的科學家與空間推進研究公司(MSNW)開展了一項新型核聚變火箭技術的研究，并稱有望將載人火星航行變成現實。華盛頓大學提出的核聚變轉移飛船前往火星計劃已經有了詳細的計算機建模和初步實驗結果，并正在進行第二輪研究計劃。2014年底，NASA確定了近期以技術成熟的石墨基體復合燃料為主，未來以高性能Cermet燃料為主開展核火箭發動機的進一步研究，基于Cermet燃料的發動機用于執行2031-2033年的火星貨運任務，以及2033—2035年的載人探測火星任務[20]。在2015年2月召開的空間核及新興技術會議(NETS)上，NASA研究人員提出在2020年左右研發出33 kN推力(可拓展至73～110 kN)的石墨基體復合燃料發動機，計劃于2024年開展地面測試，并在2025年執行月球任務。

1995年，NEBA-3核火箭發動機通過了設計方案論證，是由DOE資助空軍飛利浦實驗室(Phillip Laboratory)設計的一種產生推力和發電的雙模式應用核發動機。可按90 N連續推力和900 N脈沖推力兩種方式工作，可分別在4.5 d和3 d內將1 356 kg和1 939 kg有效載荷，從近地軌道推進到同步軌道，并為衛星提供10年的發電能力。該發動機的核反應堆是采用SP-100空間核電源工程樣機技術，外堆是采用GE-710核反應堆加熱氫噴射形成推理的結構。發動機的軸向主梁是可收縮、伸展的折疊式結構，有效載荷艙安排在另一端。

3 啟示

核動力系統已經成功地應用于航空母艦和潛艇之中，其動力幾乎是取之不盡，用之不竭。所以從理論上說，核推進系統可以作為飛行器的動力系統，用于長距離的空間飛行。所以綜合借鑒國內外核推進領域的發展歷程以及先進案例，帶來以下啟示：

1) 深入研究星際飛行任務的路線與推進系統的關系，參考國外已有的核推進系統參數，論證核推進系統的總體指標與實施可能性；

2) 開展核電推進系統的研制。實現核電推進系統與空間平臺的結合；

3) 加強對核電反應堆的設計水平，大幅度提高空間核電反應堆的輸出功率，提高核電推進系統整體性能；

4) 開展對固體芯核熱推進系統的研究，開展核熱推進系統的數值仿真，實現核熱推進系統的技術方案；

5) 開展更為先進核反應堆方案的預研工作，比如氣體芯核熱火箭。

4 結論

綜合國外多年來對核推進方面的研究，核推進系統完全可以作為飛行器的動力系統，用于長距離的空間飛行。核能推進系統較化學能和太陽能推進系統，具有功率高、比沖大、工作時間長等優點。這些優點決定著核能推進系統將具有非常廣泛的應用前景及市場價值。