國外空間核動力技術發(fā)展現(xiàn)狀及對我國的啟示

□胡 健 宿吉強 李言瑞 李永航

近年來，我國航天探測活動邁入高密度和高質量發(fā)展階段，先后發(fā)射了天問一號火星探測器并攜帶“祝融號”火星車成功著陸于火星烏托邦平原南部，以及首顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”，實現(xiàn)我國太陽探測零的突破。更長時間的太空駐留和更遠距離的太空探索，標志著我國航天技術邁入了更高層次的新征程。同時也對空間探測器動力源的持久性和可靠性提出了更高的要求，目前無論是空間站還是火星車，我國都主要采用太陽能帆板作為航天器的能量來源，而早先登陸火星的美國“毅力號”以及更早的“好奇號”火星車則采用同位素钚-238核電池作為動力來源。此外，2021年4月12日，美國國防部下屬研發(fā)部門向通用原子公司等三家公司授予了核航天器合同，計劃將在2025年之前完成建造和演示核動力推進系統(tǒng)。

隨著我國空間探索的深度與廣度不斷拓展，對于太陽系中的其它離太陽更遠或是能接收太陽光照更弱的行星，核動力或許是完成探測任務的唯一選擇。空間站和火星車已經(jīng)開啟了中國航天對星際探索的大門，因此空間動力技術亟需快速發(fā)展，打造我國成熟的空間核動力技術必將是下一個突破口。

一、國外空間核動力技術發(fā)展現(xiàn)狀和政策

目前，基于太陽能、化學能的空間電源技術能力已接近極限水平，而核能因其具有功率覆蓋范圍廣、能量密度高、受環(huán)境影響小、壽命長等優(yōu)點，在空間探索中具有更廣泛的應用區(qū)間。美國、俄羅斯和歐盟國家等都把空間核動力視為國家前沿核心技術，并積極圍繞空間應用拓展和空間資源開發(fā)的戰(zhàn)略目標，投入大量人力、資金和技術力量，制定了一系列空間開發(fā)策略和研究計劃。

美國空間核動力技術起步較早其技術儲備好，其在不同發(fā)展階段根據(jù)政治、商業(yè)和軍事等各方面需求，先后提出多項空間堆電源研發(fā)計劃，包括：SNAP系列計劃、SP-100計劃、FSP計劃和Kilopower計劃等，其中Kilopower迷你空間堆是目前世界各國對外公布的空間反應堆中最為先進的，主要為登陸月球、火星并建立月球和火星的空間基地而研發(fā)[2]。2018年3月，美國NASA完成了Kilopower空間堆電源系統(tǒng)帶核樣機地面測試。2020年11月，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(LANL)宣布與空間核動力公司(Space Nukes)簽署授權使用協(xié)議，目的是使這項技術在未來幾年實現(xiàn)商業(yè)化應用，預計美國將在近期具備千瓦級空間堆電源的飛行應用條件。除了NASA以外，美國國防部(DOD)正在推動基于核熱推進系統(tǒng)的“敏捷地月飛行示范火箭”(DRACO)計劃。2021年4月，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)授予DRACO項目第一階段合同，目標是在2025年實現(xiàn)低地球軌道核熱推進系統(tǒng)的示范運行。

(二)俄羅斯。俄羅斯從蘇聯(lián)時期就開始了空間核動力技術的研發(fā)，積累了豐富的經(jīng)驗，盡管近些年俄羅斯經(jīng)濟低迷，但始終沒有停止對空間核動力技術的探索。2016年，俄羅斯政府批準了《關于俄羅斯聯(lián)邦2016～2025年航天計劃》第230號決議，根據(jù)其撥款計劃，到2025年，俄政府將投入1.4萬億盧布發(fā)展本國航天業(yè)。以此為依據(jù)制定了未來10年的航天計劃，其中明確提出發(fā)展新型航天技術，研發(fā)新型航天基礎元器件和工藝技術，包括研發(fā)新型核動力裝置及軌道助推控制系統(tǒng)。俄羅斯先后研制了ROMASHKA、BUK和TOPAZ系列等多個型號的空間核堆電源，電功率范圍可達到百瓦級至千瓦級[3]。2009年俄羅斯提出兆瓦級空間核動力飛船技術，計劃2025年之前完成飛船制造和飛行試驗準備工作。

(三)歐盟國家。歐盟的法國、意大利、德國等國也在根據(jù)自身的空間核動力應用需求和未來太空技術發(fā)展規(guī)劃，先后開展了多項空間核動力的概念研究和技術攻關。從2011年起，DiPoP和MEGAHIT等空間堆電源項目在歐盟委員會的支持下持續(xù)推進。其中，DiPoP計劃(2011～2013年)的功率覆蓋范圍為20～200kW，重點研究空間核反應堆推進技術、公眾接受性原則、發(fā)射和運行流程等；MEGAHIT計劃(2013～2014年)的功率可達到1MW，其目標是為空間核電推進航天器提供穩(wěn)定電能，任務需求包括地球軌道目標偏移、提供長周期空間探索的核推進系統(tǒng)、大功率無人深空探測、空間拖船和載人火星探測任務等。作為以上計劃的項目延續(xù)，歐盟在2015～2017年期間開始執(zhí)行“電推進系統(tǒng)轉換器、空間反應堆、輻射器、推進器演示驗證”計劃(DEMOCRITOS)，主要對各項核電推進技術進行驗證和測試，這也標志著前面兩項空間堆電源項目制定的技術路線開始進入實施階段。

二、空間核動力技術類型

空間核動力可以滿足通信衛(wèi)星、空間站、空間運輸、空間武器、深空探測、外星基地等對電能和推進動力的需求。國際原子能機構(IAEA)在《核電源及核推進在和平探索太空中的作用》一書中給出了不同空間電源的適用功率范圍及適用任務周期，如圖1所示。

圖1 各種空間能源類型適應的功率和壽命范圍[4]

空間核動力技術路線如圖2所示，不同技術方案主要取決于動力應用、核燃料類型、熱電轉換、推進方式等，具體應用需根據(jù)使用要求、使用壽命和技術可行性進行選擇。

圖2 空間核動力系統(tǒng)技術路線分類

(一)放射性同位素電源。放射性同位素電源(RTG)將放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉換成電能的電源裝置，該技術目前已經(jīng)比較成熟，已多次在國外無人空間探測任務中得到應用。美國至今已發(fā)射了27個共帶有46個RTG的航天器，均采用放射性同位素钚-238。俄羅斯在1996年發(fā)射的“火星-96”探測器中也使用了4個钚-238同位素電源。但RTG功率水平較低，單機功率一般不超過300W，無法滿足有更高功率和更大推力需求的空間任務。另外，由于其使用受到核材料的來源和價格問題制約，因此難以實現(xiàn)更廣泛應用。

(二)空間堆電源。空間堆電源可覆蓋幾kW至數(shù)MW的功率范圍，而且比太陽電池有更高的功率質量比，能夠適應弱光照、極端高低溫、塵暴等惡劣環(huán)境的影響，同時還具有功率提升快、機動性好、結構緊湊、供電時間長的特點，是目前載人星際飛行和及無人深空探測領域最具應用前景的電源[5]，指標參數(shù)詳見表1。美國和俄羅斯均將空間堆電源視為空間技術中優(yōu)先發(fā)展的重點，圍繞國防軍事、空間科學探索、宇宙資源開發(fā)等目標需求、持續(xù)投入大量資金和科研資源，分析了空間堆及屏蔽、熱電能量轉換、傳熱散熱等的相關技術，建成了多個空間堆電源地面試驗裝置，初步形成了空間堆電源的研發(fā)能力體系。

表1 不同功率水平空間堆電源技術參數(shù)比較

(三)核推進。核推進分為核電推進(NEP)與核熱推進(NTP)。核電推進是空間堆電源與電火箭技術的結合。核熱推進采用氫作為工質產(chǎn)生的比沖可達1,000s量級，推力可達數(shù)噸到數(shù)十噸量級，效率是常規(guī)化學火箭的兩倍，指標參數(shù)詳見表2。基于高比沖、大推力和長壽命的特點，核熱推進是目前最具潛力的空間推進動力形式，美國稱其為目前執(zhí)行載人火星飛行任務的首選動力方式。另外，核熱推進器的小型化、模塊化也是核熱推進系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

表2 空間核推進技術參數(shù)比較

三、未來空間核動力技術的應用領域

進入21世紀以來，空間探索成為各航天大國的發(fā)展重點，隨著人類科技水平的不斷提高，太空、深海和極地等未知區(qū)域的探索成為各國爭相涉足的領域，空間核動力在拓展生存空間、資源開發(fā)和國防軍事等領域都將催生廣泛的戰(zhàn)略應用前景。

具備無閉鎖穿越直流故障能力的直流自耦變壓器//李夢柏,向往,左文平,姚良忠,林衛(wèi)星,文勁宇//(4):82

(一)空間綜合服務領域。基于100kW級以上核動力高軌綜合服務站具有切實的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略價值。未來的萬公里級軌道高分辨率微波遙感衛(wèi)星功率需求為100kW級，千公里級軌道高分辨率衛(wèi)星功率需求為50kW左右，空間堆具有良好經(jīng)濟競爭力。此外，空間堆在對地觀測、數(shù)字信息傳輸、通信數(shù)據(jù)交換等領域也發(fā)揮積極作用。

(二)空間軌道運輸領域。未來我國載人航天、高軌衛(wèi)星發(fā)射、地外物質采樣返回等空間任務將實現(xiàn)常態(tài)化，如何實現(xiàn)大質量設施的空間高效運輸將成為亟需解決的問題。采用傳統(tǒng)化學推進的貨運飛船向高軌道運輸貨物，通常需要攜帶自身質量一半以上的化學推進劑，技術難度大且運載能力有限，而如果采用兆瓦級的核電推進或核熱推進貨運飛船則可以大大提高任務的有效載荷比，實現(xiàn)更加快速靈活的空間軌道轉移。

(三)星際探測領域。對火星、木星等地外天體進行探測，并在星體表面建造科研設施是未來星際探測的發(fā)展方向。受星體自轉、表面惡劣環(huán)境的影響，太陽能或將難以適用，空間堆電源環(huán)境適應能力強，功率范圍大，可以提供數(shù)十年的能量可靠供應，滿足科研儀器日常運行的功率需求，是星表基地建設和星球資源開發(fā)的理想能源解決方案。同時，對于更遠深空的外太陽系探測，空間核動力技術或許是唯一可以提供高載荷和遠距數(shù)傳能力的推進動力選擇。

(四)深海開發(fā)領域。開發(fā)深海資源，鞏固海洋領土國防已經(jīng)成為世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略。深海空間站是可以在深海區(qū)域為科研人員提供長期居住和日常工作場所的大型水下空間平臺，而深海空間堆具有一次裝料運行周期長，節(jié)能環(huán)保等特點，是解決海洋資源開發(fā)活動能源供應的有效途徑。

四、對我國空間核動力發(fā)展的啟示與建議

空間核動力技術屬于高精尖前沿技術，相較于太陽能等常規(guī)空間動力具有顯著性能優(yōu)勢和廣泛的應用前景，我國應統(tǒng)籌優(yōu)勢力量，加快開展關鍵技術攻關，實現(xiàn)我國空間核動力技術的跨越式發(fā)展。建議可從以下幾方面制定和實施發(fā)展策略。

(一)明確戰(zhàn)略定位，制定完整體系的空間核動力發(fā)展規(guī)劃。空間核動力技術作為一項能“改變游戲規(guī)則”的國家戰(zhàn)略技術，未來有著巨大的影響力，其研發(fā)和應用必將對我國深空深海探索、國防軍事和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響，同時，由于空間核動力技術難度大、研發(fā)周期長、成本高，需要國家統(tǒng)籌協(xié)調，并給予政策扶持和資金支持。我國應進一步明確空間核動力戰(zhàn)略定位，開展頂層設計并制定總體發(fā)展規(guī)劃，開展相關技術研發(fā)與應用，加速搶占技術制高點。

(二)開展空間核動力總體需求評估，加快關鍵技術突破。空間核動力技術涉及多方面的研究難點和關鍵技術，在研發(fā)過程中應科學評估空間任務需求，準確識別關鍵技術挑戰(zhàn)并提出解決方案，加快包括緊湊空間堆設計、高效熱電轉換技術、結構材料選型與工藝制備等技術突破。從系統(tǒng)工程的角度，開展總體參數(shù)優(yōu)化設計，加快完成空間堆試驗、掌握MW級空間堆關鍵技術，開展高速、大功率、大推力核熱推進裝置方案設計，從而逐步實現(xiàn)新型復雜航天器系統(tǒng)的工程應用。

(三)提升核燃料技術研發(fā)水平，重視供應鏈安全風險。核燃料的生產(chǎn)與加工制造是空間核動力技術可行性的核心因素。我國應進一步提升空間堆核燃料研發(fā)能力，根據(jù)需要生產(chǎn)適用于星球表面以及空間電力、核電推進和核熱推進應用的不同形式燃料。注重使用標準化的材料、工藝、設計或基礎設施，提高燃料形式的通用性，形成“系列化、型譜化、模塊化”的高性能核燃料產(chǎn)品體系，逐漸提高技術成熟度并節(jié)約成本。同時應增強鈾資源保障能力，降低未來核燃料供應鏈的安全風險。

(四)建立認證指標體系，充分保障空間核動力系統(tǒng)安全性和可靠性。空間核動力裝置的安全性和可靠性是空間核能應用的核心和基礎。由于空間核動力系統(tǒng)結構、運行要求和環(huán)境等與地面核設施存在很大不同，應充分考慮空間核能應用的特殊性。相關科研單位應建立空間核動力認證指標體系，通過開展全面的安全指標與設備可靠性研究、故障模式分析、極端環(huán)境適應性研究等，制定合理的安全評價體系和可靠性驗證方法，從而保障我國空間核動力裝置的安全性與可靠性。

(五)建立多學科、多領域的聯(lián)合攻關長效機制。空間核動力技術是集核能、航天和信息技術等學科為一體的綜合性的前沿科學工程技術，涉及多個基礎學科和工程應用研究。建議由國家相關部門領導，聯(lián)合國內(nèi)航天與核工業(yè)優(yōu)勢單位，建立由科學界、工業(yè)界、社會和政府組成多學科、多領域的空間核動力技術聯(lián)合攻關共同體，建立長效協(xié)作機制，推進空間核動力技術研發(fā)。在立足自主研發(fā)的同時，也應積極尋求國際合作，開展技術和經(jīng)驗交流，促進我國空間核動力技術持續(xù)和快速發(fā)展。