空间核推进系统综述与展望

张梦龙，张 悦，王宝和

(中国人民解放军91550部队， 辽宁 大连 116023)

从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学、军事和经济意义。过去的50多年，美国、前苏联、欧空局及日本等先后发射了200多个行星际探测器，包括月球探测器及金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的探测器[1-2]。

空间探索和星际航行任务的困难主要有以下两点：飞行距离远；宇宙环境恶劣。在远离地球大气层之外，如果靠近太阳，阳光辐射会使飞船表面温度急剧升高，而阴暗处则温度很低。

依据能量转化的形式，当前的推进系统可以粗略划分为“化学能推进”、“太阳能推进”、“核推进”等。化学能推进由于比冲小、能量密度低，很难满足未来空间活动的需要；太阳能则由于工作环境的限制，无法完成远离太阳的航行需求。热核推进具有功率高、寿命长、比冲大、不受外界环境影响等特点，特别是推进系统工作时间的增加，热核推进的质量优势更加明显。热核反应堆可以长时间提供能量，不需要太阳能等外部能量，对外太空表面的辐射带也不敏感。因此，对于远离太阳的行星际飞行或者太阳系外探测，核能似乎是唯一可行的能源。

1 核推进系统

与化学能推进的定义类似，核推进是利用核能进行推进的形式。在当前可控核聚变尚未安全实现的情况下，利用放射性衰变与可控核裂变产生的能量是核推进的主要方式，而根据核能在推进系统中的进一步转化方式，核推进又分为核电推进(Nuclear Electronic Propulsion，NEP)与核热推进(Nuclear Thermal Propulsion，NTP)。

1.1 核电推进系统

核电推进实际上就是将核能进一步转化为电能，类似于在飞行器上搭建一个微型的核电厂，利用转化而来的电能作为推进能量，其后续推进形式实际上就是电推进，目前国内外都在进行研究，图1即为空间电推进系统示意图。

核电推进的实质是采用核能源的电推进技术。核电推进系统主要包括3个主要子系统：核能源子系统、核电转换子系统和电推进子系统。其中核能源子系统即核能产生装置，目前太空核能的主要产生方式是放射性同位素衰变与核反应堆裂变；核电转换子系统是将放射性同位素或反应堆释放出的热能，通过热电转换或者其他的方式转换成电能的装置[3]；电推进子系统是将电能进一步转换成航天器动能的装置，国外已有的研究中，用于NEP的电推进类型包括离子推力器(IE)、霍尔推进器(HET)等。

1.2 核热推进系统

核热推进就是将核能进一步转化为工质的热能(由于裂变产物极少，不能作为工质，所以必须携带工质)，再利用喷管或者其他装置将热能转化为动能进行推进，其本质是热推进。通常核热发动机又分为固体堆芯、气体堆芯和液氧增强型核热发动机(LANTR)[4-5]。固体堆芯核热发动机是指其反应堆为固体裂变物质，由于要控制核能释放速率保证燃料不熔化，因此其比冲并非很高，通常只有1 000 s左右,自20世纪五六十年代以来，固体堆芯核推进已经发展到接近空间应用的阶段[6-7]；气体堆芯核热发动机是指其反应堆为气体形式，反应堆的温度达到上万度的高温，比冲达3 000～5 000 s；LANTR 使用喷管的扩张段作为加力燃烧室，在这里喷入氧气，与来自发动机喉部被核反应堆加热的氢进行超音速燃烧，这意味着使用更小型的NTR发动机可以获得“大发动机”的性能。

图2给出了核热火箭发动机的示意图。NTP系统主要由装在推力室承压壳体内的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统组成。其工作原理与液体火箭发动机中的推进系统类似，所不同的是化学燃烧被核反应堆代替。在NTP中，推进剂通常使用液氢。因为氢的分子量最小，可以使NTP达到较高的比冲。工作中，推进剂在进入燃烧室前，通常先用来冷却发动机部件，然后进入燃烧室被加热，从而提高其滞止焓，然后通过收缩-扩张喷管达到超声速。控制系统可以通过调节工质氢的流量和控制核反应的功率，以使发动机的推力能满足实际飞行的需要。因此，NTP的核心目标就是如何构造一个反应堆芯来高效地将热能传递给推进剂，同时保证其质量最小，运行最安全。

图3是目前正进行概念研制的一种气体芯核热火箭[8]。气体芯核热火箭是基于核裂变的核热火箭发动机更为高效的形式。其基本原理是：在核系统中，喷入的铀形成涡流。把铀运转到临界状态，沿着轴向将氢气体加热到极高的温度，而后从喷嘴排出产生很高的推力。该形式核热火箭的关键在于：第一，如何获得一种稳定的核燃料等离子体涡流，既保证充分加热推进剂又保证未燃燃料不被推进剂带走；第二，向运行中燃料涡流补加核燃料的方式；第三，如何降低反应腔内壁上的热负荷。目前，相关研究工作正在进行中，已经取得重要进展。

2 国外发展历程

2.1 苏联(俄罗斯)发展历程

苏联的核火箭研制工作始于1953年，持续时间较长，研究较为全面。到上世纪60年代中期，得到了一些初步的实验结果。

1) 核电推进的发展

苏联在20世纪60年代开始了自己的空间核电源计划。1965年首次使用了钋-210同位素电池，作为军事通讯卫星“宇宙-84”和“宇宙-90”的星载设备。1969年和1971年又使用了具有800 W功率的钋-210加热器作为“月球车-1号”和“月球车-2号”的加热部件。1996年11月16日俄罗斯发射的“火星-96”飞船使用了4台23sPu电池，“火星-96”飞船于1996年11月18日坠落在南太平洋海域。

1987年发射的“宇宙-1818”和“宇宙-1867”侦察卫星采用了先进的热离子转换的热中子反应堆电源“TOPAZ-1”，输出电功率为6 kW，寿命限于1～2年，已成功通过了飞行试验，目前正在研制第四代空间反应堆电源“TOPAZ-4”。俄罗斯现在己经把反应堆和电推进一起使用，据统计俄罗斯发射了约35个基于反应堆的航天器[9]。

2) 核热推进的发展

1953年先后成立多个核热火箭发动机的研制单位，包括第一、第九研究院；第456国家试验设计局；化学自动化设计局等。在长达二十多年时间里，他们研究了不同方案的核火箭发动机；采用不同反应堆和不同工质；建立了核发动机试验基地，并进行了大量试验。

其中第456设计局先后研制了反应堆为固相的核火箭发动机： RD-401，工质为氨，慢化剂为水，推力1 646 kN；RD-402，工质为氨，慢化剂为铍，推力1 680 kN，比冲428 s； RD-404，工质为氢，慢化剂为氢化锆，推力2 000 kN，比冲950 s；RD-405工质为氢，慢化剂为氢化锆，推力400～500 kN。化学自动化设计局研制的核火箭发动机(RD0410)，推力35.2 kN，比冲910 s。第一设计局研制了核电火箭，工质为氙，比冲达到3 000 s，准备用于苏联“无人登月计划”的月球车上。此外，第456设计局还开展了气体芯反应堆核火箭发动机(RD-600)的试验研究，比冲可达2 000 s左右[10]。

2007年4月俄罗斯电力技术研究与设计院发起召开了一次有多部门参加的研讨会，会议决定将核热火箭发动机设计工作的重点放在开发一种核动力双模式系统陆地原型装置上，其电功率为100～500 kW。

俄罗斯自2010年起一直在研制一种基于兆瓦级核推进系统的运输核能源单元，旨在实施大规模空间探索计划。

据国外媒体报道，俄罗斯在2016年公布了一项利用核能推进前往火星的太空计划，该计划将于2018年实施，能将当前发射火箭至火星所需的18个月缩减至仅6个星期。2016年，俄罗斯原子能集团公司(Rosatom)获得该国在研核动力火箭的首批试验燃料，Rosatom预计将于2018年公布拟作为太空发动机的原型核反应堆。

2.2 美国发展历程

美国核火箭发动机研究是在“核火箭开发计划”(ROVER)和“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”(NERVA)项目资助下开展的[11-13]。在ROVER/NERVA计划以后的40年中，美国在等离子体物理研究和开发功能强大的计算机仿真领域内投人几亿美元，取得了明显的进展[14-15]。

2.2.1 核电推进的发展

从1961年开始，美国能源部(DOE)为空间应用提供放射性同位素发电机(RTG)，该发电机把钚-238衰变产生的热能直接转换为航天器用电能，具有简单和高可靠的特点。截止2004年DOE提供了44个放射性同位素发电机，240个放射性同位素加热器，涉及26个航天器型号，在阿波罗、海盗、先驱者、导航者、伽里略、卡西尼等深空探测任务中己经成功和安全的应用了放射性同位素发电机[16]。

1965年发射了SNAP-10A核裂变电功率系统。1979年开始空间能源先进反应堆(SPAR)计划，1983年开始了由美国航空航天局(NASA)、国防部(DOD)、DOE联合参与衍生于SPAR计划的SP-100计划，目标是发展能够提供10年工作周期内7年满功率数十到数百千瓦电源的核电技术，应用包括军事和民用。1998年美国发射的深空一号，是世界上第一个采用电推进系统作为主推进的深空探测器，以氙为推进剂，功耗2.5 kW，推力92 mN，比冲3 100 s。1999年9月深空一号主任务结束，2001年12月完成延伸任务[17-18]。

2002年美国行政部门倡议了发展深空探测推进与动力的核空间促进计划，一年后由NASA组织落实了普罗米修斯计划，发展核电推进系统，该计划支持了将于2015年左右发射的木星冰卫轨道器任务的核电推进用离子推力器，裂变电源功率从一千瓦到数百千瓦。2004年，NASA官员对美国国会拨款委员会证实，发展核电源和推进人类在空间持续生存的研究将是美国国家空间探测计划的两个关键领域。

2.2.2 核热推进的发展

ROVER是最初的NTR计划，开始于1953年。在此计划之下，有几种采用铀-235燃料、氢推进剂、石墨减速器的反应堆进行了设计、制造和试验。反应堆是核推进的核心，这些反应堆系列包括KIWI、Phoebus、Peewee-1和Nuclear Furnace-1。KIWI-B4E的性能在当时的试验中具有代表性的水平，比冲为840 s，反应堆能量水平为937 MWt；Pheobus系列反应堆的设计是为了适应行星际推进系统，实际上其特定任务就是载人火星任务，比冲为840 s，反应堆能量水平为5 000 MWt；Peewee反应堆则主要是研发小型反应堆的性能参数，1968年秋，Peewee试验了2 400 s，反应堆能量水平为514 MWt[19]。

1955—1960年间，在内华达州核试验场的核火箭开发中心建立了大型的核火箭实验基地，进行了14个不同系列反应系统部件和发动机组件的热试车。1962年，美国基于载人月球探测工程启动了NERVA，利用ROVER的试验成果，研制一套推力35 t、比冲不低于825 s、持续工作时间超过1 h的飞行样机。在1962—1972年间，共进行了6次发动机和整个推进系统的热试车，考核其各种工作性能。其中包括：NRX-A6，反应堆能量水平为1 125 MWt；XE-Prime试验了11次，最终在1969年工作了210 s，反应堆能量水平达到了1 140 MWt。

2004年，NASA以火星表面着陆任务为焦点开展了一项《载人火星探索设计参考架构5.0》研究，该研究设想宇航员在火星上停留约540 d，深空飞行时间为1年，并选择核热火箭作为推进系统。2010年《国家太空政策》提出，到2030年代中期，把宇航员送到火星轨道上并使之安全返回地球，NASA将核热火箭选定为首选的载人火星探测推进方案。2012年初，NASA与美国国家研究理事会公布了研究结果《空间技术路线图与优先任务》，选出16个最重要的技术发展领域，作为未来NASA预算投资的指南，核热火箭被列入其中的显著位置。

2011年以来，华盛顿大学的科学家与空间推进研究公司(MSNW)开展了一项新型核聚变火箭技术的研究，并称有望将载人火星航行变成现实。华盛顿大学提出的核聚变转移飞船前往火星计划已经有了详细的计算机建模和初步实验结果，并正在进行第二轮研究计划。2014年底，NASA确定了近期以技术成熟的石墨基体复合燃料为主，未来以高性能Cermet燃料为主开展核火箭发动机的进一步研究，基于Cermet燃料的发动机用于执行2031-2033年的火星货运任务，以及2033—2035年的载人探测火星任务[20]。在2015年2月召开的空间核及新兴技术会议(NETS)上，NASA研究人员提出在2020年左右研发出33 kN推力(可拓展至73～110 kN)的石墨基体复合燃料发动机，计划于2024年开展地面测试，并在2025年执行月球任务。

1995年，NEBA-3核火箭发动机通过了设计方案论证，是由DOE资助空军飞利浦实验室(Phillip Laboratory)设计的一种产生推力和发电的双模式应用核发动机。可按90 N连续推力和900 N脉冲推力两种方式工作，可分别在4.5 d和3 d内将1 356 kg和1 939 kg有效载荷，从近地轨道推进到同步轨道，并为卫星提供10年的发电能力。该发动机的核反应堆是采用SP-100空间核电源工程样机技术，外堆是采用GE-710核反应堆加热氢喷射形成推理的结构。发动机的轴向主梁是可收缩、伸展的折叠式结构，有效载荷舱安排在另一端。

3 启示

核动力系统已经成功地应用于航空母舰和潜艇之中，其动力几乎是取之不尽，用之不竭。所以从理论上说，核推进系统可以作为飞行器的动力系统，用于长距离的空间飞行。所以综合借鉴国内外核推进领域的发展历程以及先进案例，带来以下启示：

1) 深入研究星际飞行任务的路线与推进系统的关系，参考国外已有的核推进系统参数，论证核推进系统的总体指标与实施可能性；

2) 开展核电推进系统的研制。实现核电推进系统与空间平台的结合；

3) 加强对核电反应堆的设计水平，大幅度提高空间核电反应堆的输出功率，提高核电推进系统整体性能；

4) 开展对固体芯核热推进系统的研究，开展核热推进系统的数值仿真，实现核热推进系统的技术方案；

5) 开展更为先进核反应堆方案的预研工作，比如气体芯核热火箭。

4 结论

综合国外多年来对核推进方面的研究，核推进系统完全可以作为飞行器的动力系统，用于长距离的空间飞行。核能推进系统较化学能和太阳能推进系统，具有功率高、比冲大、工作时间长等优点。这些优点决定着核能推进系统将具有非常广泛的应用前景及市场价值。