廖宏圖

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海200233）

0 引言

空間活動(dòng)的核心是推進(jìn)系統(tǒng)，而單位質(zhì)量推進(jìn)劑在單位時(shí)間內(nèi)能夠獲得的能量及其能夠持續(xù)的時(shí)間直接決定所能夠開(kāi)展的空間活動(dòng)的范圍與規(guī)模。目前所用的推進(jìn)方式包括化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)和基于太陽(yáng)能的電推進(jìn)系統(tǒng)，這兩種推進(jìn)方式均有其自身的不足，不能滿足日益發(fā)展的航天活動(dòng)的需要。

化學(xué)推進(jìn)的能量直接取自推進(jìn)劑本身所攜帶的化學(xué)能，因此單位推進(jìn)劑所能獲得的最大能量是有限的，也就是化學(xué)推進(jìn)的比沖存在一個(gè)理論上限。最高能的常用化學(xué)推進(jìn)劑是氫/氧，單位質(zhì)量推進(jìn)劑攜能13 MJ/kg，其最大理論比沖約

太陽(yáng)能電推進(jìn)的能量取自太陽(yáng)能，因此單位質(zhì)量推進(jìn)劑所能獲得的能量，也就是其比沖沒(méi)有理論限制，但太陽(yáng)能需要用太陽(yáng)電池陣收集，而太陽(yáng)能流密度(太陽(yáng)常數(shù))是有限的（如地球附近真空太陽(yáng)常數(shù)僅1.3 KW/m2），要獲得高推力、高比沖就需要高能量功率，因而需要非常大面積的太陽(yáng)能電池陣。一個(gè)例子：太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率20%，電推力器效率60%，若發(fā)動(dòng)機(jī)比沖10000 s，要獲得10 N推力需要的電功率是：0.5×(10000×9.8)×(1×9.8)/0.6=800 kWe，在地球附近真空，需要的太陽(yáng)電池陣面積為：800/1.3/0.2=3078 m2，約半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小。另一方面，隨著與太陽(yáng)距離的增加，太陽(yáng)常數(shù)按平方反比關(guān)系下降，而且在陰影處的太陽(yáng)常數(shù)為零，使得太陽(yáng)電推進(jìn)的應(yīng)用受到了極大限制。

相比于化學(xué)能，單位核物質(zhì)所攜帶的核能極高，如每公斤鈾-235完全裂變釋放的能量達(dá)8×107MJ/kg。假設(shè)這些能量完全用于加速核物質(zhì)自身，所能達(dá)到的最大理論比沖為比化學(xué)火箭提高近四個(gè)量級(jí)。

總之，核能是繼化學(xué)能、太陽(yáng)能之后人類目前掌握的最為強(qiáng)大的能源，具有應(yīng)用于空間推進(jìn)領(lǐng)域的巨大潛力。要實(shí)現(xiàn)更快、更遠(yuǎn)、更大規(guī)模、更廣闊范圍的空間活動(dòng)，核推進(jìn)是必然選擇。

1 實(shí)現(xiàn)途徑

1.1 固相核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

盡管核能具有巨大的潛力應(yīng)用于空間推進(jìn)，但是這種潛力能夠多大程度發(fā)揮，則取決于人類能夠多大程度控制核能的釋放：能夠控制的能量釋放率閾值越高，可以獲得的比沖越大。

固相核裂變是目前人類掌握的唯一一種對(duì)核能釋放的控制方法，該方法的基本要求是核能量釋放時(shí)核燃料保持固態(tài)。顯然，為了保證燃料塊不至于熔化，就需要將核能釋放率控制在非常低的閾值以下，遠(yuǎn)未充分發(fā)揮核能的潛力。以此種能量釋放率驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器，或者比沖遠(yuǎn)低于理論上限（核熱推進(jìn)），或者需要犧牲推力及系統(tǒng)重量以換取高比沖（核電推進(jìn)）。另一方面，因?yàn)楹四茚尫怕实?，核反?yīng)產(chǎn)物極其微量，且不易從固體燃料塊中分離，所以核反應(yīng)產(chǎn)物不能作為推進(jìn)劑，必須外帶推進(jìn)劑。

即使核能以如此遠(yuǎn)低于理論上可能的速率釋放，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推進(jìn)劑、運(yùn)行參數(shù)選擇，仍然可以獲得比化學(xué)推進(jìn)高得多的性能。以下簡(jiǎn)單介紹目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的核熱推進(jìn)方案。

在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的核熱推進(jìn)中，固相核裂變反應(yīng)釋放的能量首先要以熱能形式交換給推進(jìn)劑，而后者再通過(guò)噴管轉(zhuǎn)換為定向動(dòng)能。圖1給出了固相核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，采用氫作為推進(jìn)劑，其流程是：氫泵增壓→冷卻流道蒸發(fā)→部分氫氣驅(qū)動(dòng)氫泵→核反應(yīng)堆內(nèi)換熱成為高溫、高壓氫氣→噴管噴出產(chǎn)生推力。

圖2給出了典型固相核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)堆剖面圖?？梢钥吹?，其基本結(jié)構(gòu)形式是：大量的具有合適幾何外形（本圖為六棱柱）的燃料單元緊密堆積在內(nèi)嵌有核反應(yīng)控制機(jī)構(gòu)（本圖為控制棒）的壓力容器內(nèi)，其中每個(gè)燃料單元內(nèi)密布大量流道讓推進(jìn)劑流過(guò)以充分換熱。

要實(shí)現(xiàn)圖1所示的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，關(guān)鍵要解決以下問(wèn)題：推進(jìn)劑選擇、固體核燃料制備及固體核燃料與推進(jìn)劑之間的換熱設(shè)計(jì)。

1.2 推進(jìn)劑與核燃料

推進(jìn)劑能夠獲得的最高溫度受限于固體核燃料的熔點(diǎn)，而在相同噴管入口溫度情況下，分子量越小的推進(jìn)劑能夠獲得的理論比沖越高--顯然，以氫為推進(jìn)劑是最佳選擇。

關(guān)于固體核燃料制備，因?yàn)樗苣褪艿淖罡邷囟壬舷拗苯記Q定發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能，所以首要要求是耐高溫；另外，核燃料表面暴露于高速氫流中以交換熱量，所以還需要耐受氫的還原性腐蝕和高速流動(dòng)的沖刷以獲得更長(zhǎng)工作壽命。

采用混合-冷壓-燒結(jié)-表面CVD沉積的工藝流程成功開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用于核熱推進(jìn)的固體核燃料。圖3給出了其中幾種的晶相結(jié)構(gòu)，分別是：圖3(a)UC2顆粒分散在石墨的基質(zhì)中；圖3(b)涂有熱解石墨PyC的UC2小球分散在石墨的基質(zhì)中；圖3(c)(U，Zr)-C/石墨的復(fù)合材料，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；圖4(d)(U，Zr)-C的固體溶液。其中，在圖3(b)、(c)結(jié)構(gòu)的表面用CVD方法沉積ZrC保護(hù)層。試驗(yàn)表明，這些核燃料能在3000 K、氫還原氛圍中耐受至少十?dāng)?shù)小時(shí)。

1.3 換熱設(shè)計(jì)

另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是固體核燃料與推進(jìn)劑之間的換熱設(shè)計(jì)。描述換熱性能優(yōu)劣的一個(gè)最重要指標(biāo)就是體積換熱效率：?jiǎn)挝惑w積固體燃料內(nèi)能夠交換的熱功率。該指標(biāo)直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的另外一個(gè)重要性能指標(biāo)：推力/重量比。顯然，體積換熱效率越高，相同推力要求情況下所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)體積越小，重量越低，推力/重量比越高。以下簡(jiǎn)單介紹已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的幾種換熱方案。

圖4所示的是最早實(shí)現(xiàn)的換熱方案：蜂巢多孔棱柱方式。其中的燃料單元是長(zhǎng)六棱柱形式，內(nèi)部開(kāi)有19個(gè)孔作為與推進(jìn)劑的換熱流道。大量截面是正六邊形的燃料單元與同樣是六棱柱的連接單元通過(guò)側(cè)面緊密堆積布置，其剖面形如蜂巢 （圖 2）。

圖4所示的換熱結(jié)構(gòu)形式，為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，換熱孔不能太密；另一方面，因?yàn)椴灰卓刂贫洋w內(nèi)的釋熱強(qiáng)度分布與換熱過(guò)程的匹配，導(dǎo)致堆體內(nèi)的換熱強(qiáng)度分布不均勻，有些區(qū)域大、有些區(qū)域小甚至為負(fù)值（高溫推進(jìn)劑反向傳熱給固相核反應(yīng)堆）。以上原因?qū)е麓朔N結(jié)構(gòu)形式的體積換熱效率不高，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較笨重，推重比不高 （3～5）。

圖5為另外一種反應(yīng)堆換熱方案：顆粒床型（PBR）?；救剂蠁卧獮榫哂羞m當(dāng)結(jié)構(gòu)的圓形小顆粒（毫米量級(jí)直徑），充填于被內(nèi)透膜與外透膜包裹的、帶有內(nèi)流道的柱狀體（即顆粒床）內(nèi)，然后將該柱狀顆粒床置于由慢化劑材料加工出的長(zhǎng)六棱柱（稱慢化器）的中心圓孔內(nèi)，構(gòu)成一根燃料棒；沿棱柱型慢化器的適當(dāng)位置和走向開(kāi)出若干通道，將推進(jìn)劑引到外透膜與慢化器內(nèi)壁間的間隙內(nèi)，并從外透膜透入顆粒床內(nèi)，被其中的熱燃料顆粒加熱后再?gòu)膬?nèi)透膜透出進(jìn)入內(nèi)流道流向集氣腔。與圖2類似，采用同樣的堆積布置方式將多根長(zhǎng)六棱柱型燃料棒排列成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)堆。由于推進(jìn)劑被分散加熱，并且冷氣/熱氣分開(kāi)流動(dòng)，該反應(yīng)堆方案的體積換熱效率較高，可以獲得較高的推重比（20～40）。

圖5所示的反應(yīng)堆形式，盡管可以獲得較高推重比，但因?yàn)閾Q熱是在一段很短的徑向距離內(nèi)完成的，溫度梯度很大，易導(dǎo)致燃料顆粒因?yàn)楦邿釕?yīng)力而破裂，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。為解決此問(wèn)題，進(jìn)一步的改進(jìn)是采用燃料片堆棧的形式，如圖6是其中的一種設(shè)計(jì)方式。圖6中，基本燃料單元是環(huán)片，片上的一面開(kāi)出一排螺旋形槽道作為推進(jìn)劑通道（換熱流道）；數(shù)百片燃料片堆疊成圓柱型燃料柱堆置于長(zhǎng)六棱柱型慢化器（由慢化劑材料加工而成）內(nèi)部掏出的圓柱型容腔內(nèi)，與慢化器一起構(gòu)成一根燃料棒；冷推進(jìn)劑被注入燃料堆與慢化器容腔內(nèi)壁間的間隙中，然后通過(guò)燃料片上的換熱槽道被加熱后進(jìn)入內(nèi)流道導(dǎo)入集氣腔。與圖2類似，多根燃料棒按適當(dāng)方式排列構(gòu)成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)堆。圖6所示的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)，只要熱設(shè)計(jì)適當(dāng)（如精心設(shè)計(jì)燃料片厚度/片數(shù)、其上換熱環(huán)槽的高度/寬度/條數(shù)等）并且材料能夠保證，就能夠在保證獲得滿意壽命預(yù)期的同時(shí)獲得較高的推重比（＞15）。

1.4 氧增強(qiáng)燃燒與多模式核能空間動(dòng)力系統(tǒng)

由于采用氫作為推進(jìn)劑，其存儲(chǔ)態(tài)（液態(tài)）的體積密度較低，因此需要很大體積的容器才能容納足夠的推進(jìn)劑完成較大規(guī)模的空間任務(wù)，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身也較重，導(dǎo)致系統(tǒng)總重較大。為此，近年來(lái)的研究重點(diǎn)是采用液氧增強(qiáng)燃燒的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以獲得更高的推力/重量比，如圖7。為避免與核反應(yīng)過(guò)程耦合而增加過(guò)程復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度，液氧從超音速段噴入與超音速熱氫摻混燃燒。從圖7可以看到，試驗(yàn)樣機(jī)的氧/氫混合比從0到6，推力從32.44 kN增加到129.76 kN以上，而比沖從910 s下降到約520 s。

無(wú)論是否產(chǎn)生推力，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的核反應(yīng)堆均可以持續(xù)提供充足的熱能，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換可以將這些熱能轉(zhuǎn)換成為電能供空間負(fù)載使用。只要適當(dāng)設(shè)計(jì)氫的流路或者再增加一個(gè)熱電循環(huán)回路，并添加熱電換能機(jī)構(gòu)，即可通過(guò)氫或?qū)ｉT換能工質(zhì)的熱力循環(huán)將核反應(yīng)堆的釋熱轉(zhuǎn)換成電能。必要時(shí)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)在不需要推力但需要電力時(shí)封住發(fā)動(dòng)機(jī)喉部。

可以將以上熱氫推進(jìn)-氧增強(qiáng)燃燒-發(fā)電聯(lián)合工作的核動(dòng)力系統(tǒng)稱為多模式核能空間動(dòng)力系統(tǒng)，如圖8。

采用上述實(shí)現(xiàn)途徑的固相核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，純氫工作時(shí)，實(shí)際比沖可以達(dá)到950～1000 s，遠(yuǎn)高于最高能的氫/氧化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的520 s理論比沖，即使采用液氧增強(qiáng)燃燒，在推力增加四倍情況下，工作比沖仍然高于氫/氧化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還能隨時(shí)發(fā)電。綜合比較，即使在現(xiàn)有技術(shù)條件下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的核熱推進(jìn)，相比于化學(xué)推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)是非常明顯了。

1.5 其他更為先進(jìn)的核熱推進(jìn)方式

為了更充分地發(fā)揮核能的潛力以獲得更高比沖性能，就必須突破核反應(yīng)時(shí)核燃料必須保持固態(tài)的限制，以實(shí)現(xiàn)更高的核能釋放率。為此，設(shè)想了多種其它實(shí)現(xiàn)途徑，其中有三種方案值得關(guān)注，也是目前國(guó)際研究熱點(diǎn)。

第一種為氣體堆方案。不再要求核反應(yīng)時(shí)核燃料保持固態(tài)，而是以磁約束等離子體存在，這樣可以將推進(jìn)劑加熱到非常高的溫度（數(shù)萬(wàn)K），大幅提高比沖（可達(dá)3000～5000 s）。

第二種為核燃料微顆粒爆炸方案。因?yàn)楹肆炎兎磻?yīng)的臨界體積與密度成平方反比關(guān)系，所以只要通過(guò)磁壓等手段將核燃料球瞬間壓縮成致密微顆粒就可引發(fā)核爆炸，以產(chǎn)物碎片為推進(jìn)劑通過(guò)磁噴管加速就可獲得推力。模擬計(jì)算和原理實(shí)驗(yàn)表明該形式推進(jìn)器的比沖達(dá)10000 s左右。

第三種為基于磁約束等離子體微塵核裂變反應(yīng)方案。將核燃料制成直徑數(shù)納米量級(jí)的微塵形式，讓足量燃料微塵的表面帶電后約束于強(qiáng)磁場(chǎng)中并引發(fā)核裂變反應(yīng)。裂變產(chǎn)物以等離子體形式存在，其中的大部分繼續(xù)被磁場(chǎng)約束，而部分動(dòng)能足夠高的產(chǎn)物離子可以掙脫磁場(chǎng)的約束并在中和后直接噴出而形成推力，或者用于發(fā)電。此方案能夠獲得的比沖接近核裂變反應(yīng)的理論值（106s），并且因?yàn)榘l(fā)電原理是動(dòng)能帶電粒子與電磁場(chǎng)的直接能量交換而非卡諾熱機(jī)型熱電轉(zhuǎn)換，所以可獲得近90%的核能-電能轉(zhuǎn)換效率。這是目前為止最為先進(jìn)的核熱推進(jìn)方案，近十年來(lái)進(jìn)行了大量的理論分析和原理實(shí)驗(yàn)研究，并取得了顯著進(jìn)展。

2 基于現(xiàn)有技術(shù)的空間任務(wù)分析

在核熱推進(jìn)技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后，為了驗(yàn)證其實(shí)際空間應(yīng)用效能，NASA下屬各總體單位根據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)條件，開(kāi)展了大量的空間任務(wù)分析。表1依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)歸納了部分分析結(jié)果。表1可見(jiàn)，現(xiàn)有核熱推進(jìn)技術(shù)可以應(yīng)用于地-月系統(tǒng)、行星及其衛(wèi)星、小行星的有人/無(wú)人探測(cè)等領(lǐng)域。

表1 一些基于化學(xué)推進(jìn)/核熱推進(jìn)的空間任務(wù)總體分析結(jié)果Tab.1 Results of space mission analysis based on chemical propulsion systemand NTP

續(xù)表1

從表1可以獲得一些基本規(guī)律。一般而言，核熱推進(jìn)適合于需要快速轉(zhuǎn)運(yùn)的、有效載荷較大的航天任務(wù)，一般工作數(shù)小時(shí)將航天器快速推入軌道后靠滑行接近目標(biāo)天體，而后再工作數(shù)小時(shí)脫離滑行軌道被目標(biāo)天體俘獲。此類軌道方式所需要的速度增量較少，時(shí)間也較少，但需要大推力/高比沖的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且比沖越高，相同速度增量、相同初始軌道停泊質(zhì)量要求情況下能夠運(yùn)送的有效載荷越多，或者相同速度增量、相同有效載荷要求下所要求的初始停泊質(zhì)量越少。因此，相比于化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其他推進(jìn)系統(tǒng)，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于此類任務(wù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。計(jì)算表明，對(duì)于地月軌道轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，相同初始停泊質(zhì)量要求情況下，固相核熱推進(jìn)比氫/氧化學(xué)推進(jìn)所能運(yùn)載的有效載荷質(zhì)量高20%～30%，對(duì)于地球-火星軌道轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，相同的有效載荷，化學(xué)推進(jìn)需要的初始停泊質(zhì)量比固相核熱推進(jìn)所需的高2～3倍。而且在接近目標(biāo)天體時(shí)可以實(shí)現(xiàn)完全自主減速制動(dòng)，而無(wú)需采用比較危險(xiǎn)的空氣制動(dòng)方式。

圖9給出了基于圖8的多模式核能空間動(dòng)力系統(tǒng)的載人火星探測(cè)基本行程圖（任務(wù)總體分析結(jié)果見(jiàn)表1相關(guān)欄），包括以下主要步驟。

1）地球軌道組裝轉(zhuǎn)運(yùn)飛船。圖9中，首先由兩艘Magnum火箭將骨架、推進(jìn)系統(tǒng)及推進(jìn)劑（液氫/液氧）等組件送入地球軌道；然后由航天飛機(jī)將生活艙、返回艙及宇航員送入軌道并完成所有部分的在軌組裝。

2）核熱推進(jìn)入軌前往火星。核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以液氧增強(qiáng)模式工作，提供強(qiáng)勁動(dòng)力在數(shù)小時(shí)內(nèi)將轉(zhuǎn)運(yùn)飛船推入地球-火星轉(zhuǎn)運(yùn)軌道。入軌期間用掉所有液氧，并在完成入軌后拋掉氧儲(chǔ)箱。

3）轉(zhuǎn)運(yùn)飛船自轉(zhuǎn)提供人工重力（往程及回程）。

4）核熱推進(jìn)脫軌。核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以純氫模式工作數(shù)小時(shí)，推動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)飛船脫離轉(zhuǎn)運(yùn)軌道并被火星俘獲進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道。

5）火星表面探測(cè)。成員進(jìn)入帶有生活艙的登陸飛船降落到火星表面進(jìn)行考察，飛船母船留軌運(yùn)行。

6）成員返回母船。成員乘坐上升飛船離開(kāi)火星表面，進(jìn)入母船軌道并完成對(duì)接后返回。

7）核熱推進(jìn)入軌返回地球。在拋棄應(yīng)急消耗品于火星軌道后，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以純氫模式工作數(shù)小時(shí)將轉(zhuǎn)運(yùn)飛船推入火星-地球轉(zhuǎn)運(yùn)軌道。

8）成員返回地球。在接近地球后，成員進(jìn)入返回艙回到地球，而轉(zhuǎn)運(yùn)飛船將被拋棄飛越并最終脫離地球，核反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的核污染不會(huì)影響地球環(huán)境。

3 發(fā)展歷程及當(dāng)前態(tài)勢(shì)

美國(guó)和前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)在上世紀(jì)五十年代中期啟動(dòng)核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制發(fā)展計(jì)劃。數(shù)十年來(lái)，雖經(jīng)歷多次起伏，但仍然取得了巨大成就，為空間應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

美國(guó)于1955年啟動(dòng)了ROVER計(jì)劃，以大型洲際彈道導(dǎo)彈為應(yīng)用背景，研制大型核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。ROVER計(jì)劃期間（1955年～1960年），建立了大型的核火箭實(shí)驗(yàn)基地，成功開(kāi)發(fā)了石墨蜂巢多孔棱柱型（圖2）固相核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，共進(jìn)行了14個(gè)不同系列反應(yīng)堆部件和發(fā)動(dòng)機(jī)組件的熱試車，核熱功率量級(jí)從500～5000 MW（大致相應(yīng)于推力100～1000 kN），取得了豐富的數(shù)據(jù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。

到上世紀(jì)六十年代初，化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)趨于完善，而且核彈頭的體積重量已經(jīng)可以做得很小，用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完全可以勝任發(fā)射洲際彈道導(dǎo)彈的目的，使ROVER計(jì)劃因?yàn)闊o(wú)任務(wù)需求而停止。隨后美國(guó)開(kāi)展了載人月球探測(cè)工程，核熱火箭在空間找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域，于是美國(guó)又啟動(dòng)了用于空間推進(jìn)的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃NERVR。NERVR計(jì)劃利用ROVER的成果進(jìn)一步研制一套推力35 T、比沖不低于825 s、持續(xù)工作時(shí)間超過(guò)1 h的飛行樣機(jī)。整個(gè)NERVR計(jì)劃期間(1962年～1972年)，共進(jìn)行了6次發(fā)動(dòng)機(jī)或整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的熱試車，考核其各種工作性能，最長(zhǎng)持續(xù)工作時(shí)間達(dá)到了90 min，最高試驗(yàn)比沖875 s。通過(guò)這些試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷得到完善，尤其是不斷完善了核燃料的設(shè)計(jì)，耐溫、耐腐蝕能力得到不斷提高，推重比也得到了提高，完全具備了開(kāi)展樣機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

NERVR計(jì)劃盡管取得了巨大的成功，但最終還是在1972年停止。其原因一方面在于探月工程最終采用了化學(xué)推進(jìn)形式，而在完成探月工程后，NASA將發(fā)展重點(diǎn)調(diào)整為行星際無(wú)人探測(cè)器，采用化學(xué)推進(jìn)也已勝任，使核熱火箭再次失去了需求牽引；另一方面也有政治和財(cái)政原因。

到了上世紀(jì)八十至九十年代初，美國(guó)相繼啟動(dòng)了星球大戰(zhàn)計(jì)劃和空間探索計(jì)劃，載人火星探測(cè)被提上日程。這期間，固相核熱火箭推進(jìn)技術(shù)被重新評(píng)估并得到了進(jìn)一步發(fā)展，提出了以顆粒床反應(yīng)堆（圖5）為代表的一系列新型改進(jìn)方案并完成了多次燃料部件試驗(yàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能得到進(jìn)一步提高（＞925 s），同時(shí)增加了推重比(＞20)。該發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)還可以用于發(fā)電，使核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更適合于空間應(yīng)用。在此期間盡管沒(méi)有如ROVER/NERVR計(jì)劃期間開(kāi)展大型地面試驗(yàn)，但發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理機(jī)制得到了更深入全面的把握并在部組件技術(shù)上得到了進(jìn)一步的發(fā)展；與此同時(shí)，核熱推進(jìn)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用效能也得到了重新評(píng)估。結(jié)果表明：核熱推進(jìn)最適合應(yīng)用于需要快速運(yùn)送大質(zhì)量有效載荷的載人火星探測(cè)等空間探索領(lǐng)域，可以使載人火星探測(cè)的初始停泊質(zhì)量減少到化學(xué)推進(jìn)的1/2到1/3以上。

上世紀(jì)九十年代初至二十一世紀(jì)初，由于冷戰(zhàn)的結(jié)束，空間發(fā)展因?yàn)闆](méi)有競(jìng)爭(zhēng)而失去了強(qiáng)勁推動(dòng)力，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制也一度陷入停頓。盡管如此，NASA仍然小規(guī)模地支持其研究工作，包括技術(shù)革新研究和應(yīng)用分析，提出了對(duì)反應(yīng)堆和整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的多項(xiàng)改進(jìn)措施（圖6的反應(yīng)堆方案及圖8的系統(tǒng)方案便是這期間提出的），同時(shí)系統(tǒng)地論述了核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于月球開(kāi)發(fā)利用和深空探索領(lǐng)域的應(yīng)用方案（表1為其中的部分應(yīng)用分析結(jié)果）。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，美國(guó)再次確立了空間政策，提出了以重返月球和深空探索為重點(diǎn)的“空間發(fā)展倡議”。在該倡議牽引下，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得到了比較系統(tǒng)的推動(dòng)，NASA下屬多家研究所和多家大型企業(yè)均參與了研究、設(shè)計(jì)和部件試驗(yàn)，并重新制定了系統(tǒng)的研制計(jì)劃，包括重新評(píng)估大型地面試驗(yàn)的方案和周期。這期間，圖8所示的多模式核能動(dòng)力系統(tǒng)得到了系統(tǒng)的評(píng)估，對(duì)其中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了原理樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)并取得了突破進(jìn)展。此外，還積極開(kāi)展了新型核熱推進(jìn)方案的探索研究和原理實(shí)驗(yàn)，尤其是微核燃料顆粒爆炸方案及基于磁約束等離子體微塵核裂變反應(yīng)方案（1.5節(jié)），并取得了顯著進(jìn)展。

前蘇聯(lián)對(duì)于核熱火箭推進(jìn)的研制歷程比較平穩(wěn)，沒(méi)有如美國(guó)那樣的反復(fù)情況，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。從1953年開(kāi)始的近三十年時(shí)間里，前蘇聯(lián)的多家研究院、設(shè)計(jì)局、實(shí)驗(yàn)室均參與了研究、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)；建立了大型核發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地，研制了多臺(tái)不同推力/不同結(jié)構(gòu)方案的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并開(kāi)展了大量的試驗(yàn)，取得了重大成果。一些主要的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有：№456設(shè)計(jì)局研制的的固相核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)РД-401，推進(jìn)劑為氨、中子減速劑為水、推力1646 kN；РД-402，推進(jìn)劑為氨、中子減速劑為鈹、推力1680 kN、比沖428 s；РД-404，推進(jìn)劑為氫、減速劑為氫化鋯、反射層為鈹、推力 2000 kN、比沖 950 s；РД-405，推力 400-500 kN(其余同 РД-404)；化學(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局研制的代號(hào)為РД-0410（11Б91）核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力35.2 kN，比沖910 s；此外，№456設(shè)計(jì)局還開(kāi)展了基于氣相反應(yīng)堆的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（代號(hào)РД-600）的試驗(yàn)研究，比沖可達(dá)2000 s上下，只是產(chǎn)生的理論和工藝問(wèn)題太多，尚需繼續(xù)深入進(jìn)行。上世紀(jì)六十年代初，第一設(shè)計(jì)局最早提出載人繞月考察方案，曾準(zhǔn)備采用核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，包括單級(jí)彈道火箭ЯР-1和兩級(jí)混合型火箭ЯХР-II，提出的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力為1400 kN。這些大規(guī)模的研究/研制/試驗(yàn)工作一直持續(xù)到1980年前后，受美國(guó)影響也停了下來(lái)。隨后前蘇聯(lián)的政局開(kāi)始動(dòng)蕩、財(cái)政窘迫，再無(wú)力也無(wú)暇重啟核熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究/研制工作了。

綜觀核熱推進(jìn)的整個(gè)發(fā)展歷史，作為目前人類唯一能夠掌握的下一代更為強(qiáng)大的空間動(dòng)力系統(tǒng)，其巨大的空間應(yīng)用潛力是驅(qū)動(dòng)其不斷向前發(fā)展的根本動(dòng)力。當(dāng)然，因?yàn)樗婕暗睦碚摵图夹g(shù)問(wèn)題相當(dāng)廣泛，需要的投入巨大，所以其發(fā)展不會(huì)是一帆風(fēng)順的，還受到各國(guó)的航天發(fā)展政策、國(guó)際國(guó)內(nèi)環(huán)境、財(cái)政情況等的制約和影響。盡管如此，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)來(lái)的不懈努力，核熱推進(jìn)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，獲得了多種實(shí)現(xiàn)途徑，其中的固相核熱推進(jìn)途徑已經(jīng)具備了開(kāi)展空間飛行驗(yàn)證試驗(yàn)和空間應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，核熱推進(jìn)技術(shù)必將一如既往地得到發(fā)展并在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用，這是必然趨勢(shì)；首先得到完善和空間應(yīng)用的是目前已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的固相核熱推進(jìn)技術(shù)；其他形式更為先進(jìn)的核熱推進(jìn)方式，也有望在近期內(nèi)獲得理論和技術(shù)突破，并且一旦突破，因其對(duì)航天事業(yè)發(fā)展的巨大意義必將迅速引領(lǐng)空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的再一次跨越。

4 對(duì)我國(guó)發(fā)展核熱推進(jìn)技術(shù)的幾點(diǎn)考慮

1）必要性。核熱推進(jìn)代表了未來(lái)空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，是必然發(fā)展方向，它的發(fā)展必將引領(lǐng)空間探索領(lǐng)域的質(zhì)的跨越。因此，我國(guó)應(yīng)在綜合考慮各方因素基礎(chǔ)上，結(jié)合航天發(fā)展戰(zhàn)略，盡早制定自己的發(fā)展規(guī)劃。

2）基礎(chǔ)與能力。與美/俄半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展基礎(chǔ)相比，我國(guó)在核熱推進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展基礎(chǔ)幾乎是零，這與這期間我國(guó)的國(guó)力及航天發(fā)展政策是相對(duì)應(yīng)的。然而，現(xiàn)今我國(guó)的綜合國(guó)力已經(jīng)得到了巨大發(fā)展，并且在理論物理、核應(yīng)用技術(shù)、材料、火箭推進(jìn)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域具有雄厚的基礎(chǔ)，完全有能力開(kāi)展核熱推進(jìn)技術(shù)的研究/研制工作。

3）發(fā)展步驟。固相核熱推進(jìn)技術(shù)是以人類現(xiàn)有能力能夠充分掌控并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的核熱推進(jìn)方式，技術(shù)狀態(tài)比較成熟，有望在近期(15～20年)內(nèi)實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用，而且也具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。所以應(yīng)首先考慮發(fā)展固相核熱推進(jìn)技術(shù)，作為近期發(fā)展重點(diǎn)，集中力量在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。與此同時(shí)，應(yīng)投入適當(dāng)力量開(kāi)展對(duì)更為先進(jìn)核熱推進(jìn)技術(shù)的跟蹤研究和自主研究。從當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀分析，這些先進(jìn)技術(shù)極有可能在近期內(nèi)取得實(shí)質(zhì)突破，而一旦突破，對(duì)航天事業(yè)的意義是非凡的，所以需要引起足夠的重視。

4）發(fā)展策略。美/俄已經(jīng)有了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展基礎(chǔ)，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，充分借鑒這些經(jīng)驗(yàn)可以加快我國(guó)的研究/研制步伐。但是，完全照抄照搬也是不足取的，國(guó)外技術(shù)并非完美無(wú)缺，也并不一定適應(yīng)我國(guó)的具體條件，我們需要找到具有自己特點(diǎn)的技術(shù)途徑。為此，就需要我們不僅僅要了解別人怎么做，還要知道為什么這樣做，其根本原理是什么，從這些原理出發(fā)還有沒(méi)有更好的實(shí)現(xiàn)途徑，一旦找到了這些途徑還需要進(jìn)行嚴(yán)格的理論分析論證和技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性論證--這就是自主創(chuàng)新，這對(duì)于真正提升我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平至關(guān)重要。

5）組織方式。核熱推進(jìn)技術(shù)涉及的理論和技術(shù)問(wèn)題相當(dāng)廣泛，需要不同領(lǐng)域的多家單位的大力協(xié)同才能完成。對(duì)于固相核熱推進(jìn)技術(shù)，因?yàn)槔碚撓鄬?duì)比較成熟，發(fā)展重點(diǎn)和瓶頸在技術(shù)上，所以需要由技術(shù)單位牽頭開(kāi)展工作；對(duì)于其他更為先進(jìn)的核熱推進(jìn)技術(shù)，由核物理理論單位牽頭開(kāi)展工作是合適的，因?yàn)槠浒l(fā)展瓶頸在于理論突破。

5 結(jié)束語(yǔ)

核能是人類目前能夠掌握的最為強(qiáng)大的能源，而核熱推進(jìn)是對(duì)核能利用最為完全的核推進(jìn)方式，能夠在保證高比沖的同時(shí)獲得足夠強(qiáng)大的推力。固相核熱推進(jìn)是目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的核熱推進(jìn)技術(shù)方案，它的空間應(yīng)用將幫助人類以更小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的空間探索活動(dòng)；盡管發(fā)展歷程曲折，但目前為止已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，具備了空間應(yīng)用的技術(shù)條件。其他形式的更為先進(jìn)的核熱推進(jìn)技術(shù)也正在穩(wěn)步發(fā)展當(dāng)中，有望近期內(nèi)取得技術(shù)突破。核熱推進(jìn)技術(shù)是未來(lái)空間推進(jìn)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，是必然發(fā)展方向，所以我國(guó)有必要結(jié)合國(guó)情，制定長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃；以我國(guó)現(xiàn)有國(guó)力及在相關(guān)領(lǐng)域的理論與技術(shù)基礎(chǔ)，只要有條不紊、策略合適、組織得當(dāng)、堅(jiān)持不懈，必定能夠在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，使我國(guó)的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入世界發(fā)展前沿。

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