張 澤，薛 翔，王園丁，王浩明，杜 磊

(上海空間推進研究所 上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

隨著人類的探測活動向深遠空間不斷拓展，對于可靠性高、能量密度大、使用壽命長、不受環(huán)境因素影響的動力源的需求日益突出，而傳統(tǒng)化學推進系統(tǒng)因推進劑攜帶量的限制已經(jīng)難以滿足要求。目前最常用的深空探測器能源供給方式為太陽能電池陣列發(fā)電，然而隨著功率需求的提高和對日距離的增長，太陽能發(fā)電的效能顯著降低，對于100 kW以上的大功率任務已經(jīng)不再適用。目前看來，核能是未來空間能源的必然發(fā)展方向，各國也對空間核動力進行了長期和深入的探索。

根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展，在空間推進領(lǐng)域利用核能的主要途徑有兩種：一是通過核反應堆釋放的能量將推進劑直接加熱到2 500 K以上，隨后噴管內(nèi)將熱能轉(zhuǎn)化成定向噴射動能，即核熱推進；二是利用核能進行熱電轉(zhuǎn)換，然后驅(qū)動大功率電推力器工作，即核電推進。核熱推進的能量利用過程與傳統(tǒng)的化學火箭發(fā)動機相似，從而達到與之相當?shù)膰嵓壨屏?，有效避免了多次能量轉(zhuǎn)換過程中的能量損失和散熱問題，因此效率更高，能夠獲得的推重比也較高，但熱力學原理限制了核熱推進的加速效率，對于比沖的提高相當有限，只能達到800～1 000 s，同時還存在核燃料高溫腐蝕、核裂變產(chǎn)物釋放造成的放射性污染等問題；核電推進由于是通過電磁場對帶電粒子進行加速，因而可以獲得更高的加速效率，比沖達到3 000～10 000 s，不過由反應堆熱能到電能再到定向噴射動能的能量轉(zhuǎn)換過程限制了推進系統(tǒng)能量利用效率的提高，并且相應地需要更多的部件質(zhì)量，推重比相對較低，推力在牛到百牛量級，還存在系統(tǒng)復雜、熱電轉(zhuǎn)換效率不高等技術(shù)難點。在此基礎(chǔ)上，還衍生出核熱推進兼顧發(fā)電或核電推進的雙模式以及多模式空間核動力推進方式。

核能的能量密度與常規(guī)化學能相比高出幾個量級(見圖1)，其優(yōu)異的性能吸引了科研人員的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)在包括民用大規(guī)模發(fā)電、船用及潛艇用動力、航天探測器電源等領(lǐng)域得到了成功應用。自1965年美國發(fā)射全球首個空間核反應堆電源開始，據(jù)公開資料報道，世界各國已發(fā)射73顆以核能作為能源的空間飛行裝置，其中美國發(fā)射了32顆，蘇聯(lián)發(fā)射了40顆，中國發(fā)射了1顆，包括38顆放射性同位素航天器以及35顆核反應堆(核裂變)航天器。由于放射性同位素主要應用于小功率熱源或電源，并不適用于未來空間飛行器的大功率推進任務，因而本文主要針對基于核裂變反應堆的空間核動力推進系統(tǒng)展開論述。

圖1 各類物質(zhì)能量密度

現(xiàn)有文獻主要根據(jù)具體的研發(fā)計劃與產(chǎn)品特性對世界各主要國家在空間核動力推進領(lǐng)域的成果進行總結(jié)，尚缺乏從技術(shù)發(fā)展的脈絡對未來研究方向的分析。本文在梳理國內(nèi)外最新政策導向的基礎(chǔ)上，研判未來技術(shù)發(fā)展方向，識別空間核動力推進領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，進而剖析我國的核心優(yōu)勢和潛在風險，對未來研究發(fā)展趨勢進行展望。

1 主要國家在空間核動力推進領(lǐng)域的最新政策及技術(shù)進展

美國和俄羅斯歷來視空間核動力推進為國家戰(zhàn)略核心技術(shù)，在數(shù)十年的時間里支持和開展了一系列研發(fā)計劃，取得了舉世矚目的成就。作為核動力技術(shù)的一個分支，始于冷戰(zhàn)時期的空間核動力推進技術(shù)首先在相關(guān)軍事用途的強力驅(qū)動下獲得迅速發(fā)展。21世紀以來，因化學能和太陽能等常規(guī)能源不能有效滿足載人火星探測、星表科研站建設(shè)等未來空間探測任務需要，美、俄、歐在空間核動力推進領(lǐng)域的研發(fā)再次進入高潮，以切實提高能量利用效率為主線，保持資金投入持續(xù)推進相關(guān)工作?？臻g核動力推進技術(shù)的研發(fā)與應用將對國防軍事、科學探索和拓展人類生存空間、開發(fā)宇宙資源、推動社會進步等產(chǎn)生重大影響。

1.1 美國

早在1955年，美國原子能委員會就啟動了空間核輔助電源計劃(space nuclear auxiliary power，SNAP)，并于1965年4月成功發(fā)射了SNAP-10A，成為人類歷史上第一個在軌運行的空間核反應堆電源，采用溫差熱電偶發(fā)電的方式為航天器提供500 W的電功率，在運行43 d后被永久關(guān)閉。此后，美國在太空任務發(fā)展規(guī)劃的優(yōu)先級上不斷進行調(diào)整，空間核動力領(lǐng)域的有關(guān)研究雖繼續(xù)取得了重要進展，如SP-100計劃、應用于運載火箭的核發(fā)動機計劃(nuclear engine for rocket vehicle application，NERVA)和普羅米修斯計劃(Prometheus)等，但再也沒有進行實際飛行試驗和在軌應用。

2015年7月，美國國家航空航天局(NASA)發(fā)布了詳細的《NASA技術(shù)路線圖》，面向未來20年空間探索的任務需求列出了優(yōu)先發(fā)展方向和預期研究水平。其中在核熱推進技術(shù)方面給出了具體的工作參數(shù)：推力111 kN、比沖900 s、最長單次工作時間46 min、累計工作時間85～102 min等，針對載人火星探測任務的預期技術(shù)成熟度達到8級；在核電推進技術(shù)方面將空間核反應堆電源劃分為3個功率等級：1～10 kW應用場景為科學任務總線電源與載人探測星表能源，10～100 kW應用場景為載人小行星探測等靈活路徑任務，1～5 MW應用場景為具有低質(zhì)量密度要求(小于5 kg/kW)的載人火星探測任務。NASA在2020年發(fā)布的《NASA技術(shù)分類》中，分別在推進系統(tǒng)(TX01)及空間電源與能源儲存(TX03)分類下對空間核動力推進及空間核反應堆電源進行了強調(diào)。

美國在空間中應用的涉核技術(shù)主要為放射性同位素電源，如在2020年7月30日發(fā)射的“毅力號”(Perseverance)火星車的動力即由多任務放射性同位素熱電發(fā)生器(MMRTG)供應。目前美國最新的空間核動力計劃為千瓦級電源計劃(Kilopower)，發(fā)電功率1～10 kW，2018年3月“采用斯特林技術(shù)的千瓦級反應堆”項目(kilopower reactor using stirling technology，KRUST)的1 kW演示機(見圖2)獲得成功，成為40年來首個進行完全測試的空間核裂變反應器。

圖2 “采用斯特林技術(shù)的千瓦級反應堆”演示論證項目

經(jīng)過政策上的反復，2019年8月20日，美國總統(tǒng)特朗普簽署《關(guān)于發(fā)射含有空間核動力系統(tǒng)航天器的總統(tǒng)備忘錄》，對于發(fā)展空間核動力系統(tǒng)進行了最新的政策說明，表明了美國重新建立空間核動力推進能力技術(shù)優(yōu)勢的決心。備忘錄指出，安全且可持續(xù)地使用空間核動力系統(tǒng)的能力對于保持和提升美國在太空的優(yōu)勢和戰(zhàn)略領(lǐng)導力至關(guān)重要。備忘錄特別強調(diào)了空間核動力系統(tǒng)的安全性評估政策，以可能發(fā)生爆炸的危害等級分為三級，其中包括高濃度鈾核裂變反應堆在內(nèi)的第三等級發(fā)射任務均需要經(jīng)過總統(tǒng)的直接批準。同時，要求在備忘錄生效的180 d內(nèi)組建機構(gòu)間核安全審查委員會，由國務院、國防部、能源部、交通部、環(huán)保局、NASA及核管理委員會選出的代表組成，以便對于未來的核動力發(fā)射任務進行審查。

1.2 俄羅斯

自上世紀50年代開始，蘇聯(lián)同期對空間核動力開展了廣泛且深入的研究，以BUK型溫差熱電轉(zhuǎn)換的空間核電源為代表的動力裝置在“宇宙”系列偵察衛(wèi)星中先后完成了數(shù)十次成功在軌應用。在此基礎(chǔ)上還成功發(fā)射TOPAZ-Ⅰ型熱離子轉(zhuǎn)換核電源實現(xiàn)在軌應用，并完成了TOPAZ-Ⅱ型核電源的全尺寸樣機研制及地面測試，為空間核動力的技術(shù)發(fā)展積累了大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)。隨著蘇聯(lián)解體，相關(guān)研究也由于經(jīng)費不足而步入低潮。

進入21世紀以來，著力發(fā)展深空探測的國家戰(zhàn)略讓俄羅斯重拾空間核動力研究。2008年4月24日俄羅斯政府批準了《2020年前及以后俄羅斯聯(lián)邦在空間活動領(lǐng)域政策的原則》，表明俄羅斯政府對于全面開展空間研究、探索和利用的重要需求，時任總統(tǒng)梅德韋杰夫批準了總值170億盧布的航天核動力系統(tǒng)計劃。俄羅斯有關(guān)方面經(jīng)過技術(shù)論證，認為核熱推進研發(fā)成本過高且應用場景有限，而俄羅斯近年來在電推進方面取得的技術(shù)進步，提升了核電推進方案的技術(shù)可行性，因而決定集中力量對大功率熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)進行攻關(guān)，并與歐盟國家開展了廣泛的國際合作。

2009年12月俄羅斯航天局宣布，將開發(fā)用于行星間載人或無人任務的兆瓦級空間核動力飛行器——運輸動力模塊(TEM)，由Keldysh研究中心和Energiya航天公司聯(lián)合設(shè)計，力圖突破空間核動力關(guān)鍵技術(shù)。該兆瓦級空間核動力飛船由空間核電源系統(tǒng)進行供電，支持電推進系統(tǒng)實現(xiàn)深空探測任務，采用超高溫氣冷快堆+閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電+熱管/液滴輻射散熱的技術(shù)方案。其中4個布雷頓循環(huán)發(fā)電核心機兩兩對置布置，核反應堆熱功率為3.5 MW，系統(tǒng)輸出電功率為1 MW，熱電轉(zhuǎn)換效率28.6%，堆芯出口溫度1 520 K，飛行軌道高度達到1 200 km，累計運行5×10h以上，單次連續(xù)運行1×10h以上，目標在軌服務周期12 a。

該空間核動力飛船最早于2012年完成系統(tǒng)初步設(shè)計，迄今為止，又經(jīng)歷了多次方案變化，如圖3所示，對承重桁架設(shè)計、散熱系統(tǒng)配置、空間結(jié)構(gòu)布局等方面進行了調(diào)整完善。2018年10月，對核動力發(fā)動機裝置的冷卻系統(tǒng)進行了地面測試；同年12月，Keldysh研究中心宣布了在露天場所進行測試的準備工作。2019年，俄羅斯國家航天集團公司稱其已經(jīng)開發(fā)了設(shè)計文檔并測試了TEM模型的組件，Keldysh研究中心還因為該項目進度延誤被罰款1.5億盧布。2020年9月，俄羅斯軍火庫設(shè)計局(KB Arsenal)開始著手組裝核動力飛船，計劃在2030年前將第一艘核動力太空拖船送入軌道并開展飛行試驗。根據(jù)飛行計劃，第一階段，拖船將與有效載荷模塊?？吭谔罩胁⒌竭_月球，對其進行探測并將一顆研究衛(wèi)星留在其軌道上；第二階段，將繼續(xù)飛往金星并在途中進行補加氙氣燃料的測試，在金星上一顆研究衛(wèi)星也將從有效載荷模塊中分離出來；而拖船本身與其余的科學設(shè)備將進行引力機動，進入第三階段到達木星衛(wèi)星的飛行任務，最終對其進行研究。

圖3 俄羅斯兆瓦級核動力飛行器結(jié)構(gòu)方案演變

1.3 歐盟

歐盟在空間核動力領(lǐng)域的最新政策主要圍繞面向2030—2040年的兆瓦級國際空間核電推進(international nuclear power and propulsion system，INPPS)飛船進行開展，現(xiàn)階段主要支持了DiPoP、MEGAHIT、DEMOCRITOS 這3個項目的發(fā)展，在項目中充分開展以俄羅斯為代表的國際合作。最新的DEMOCRITOS即“電推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器、反應堆、輻射器、推進器演示驗證”項目(見圖4)，由英國NNL(Nuclear National Laboratory)、德國DLR(German Aerospace Center)、俄羅斯Keldysh研究中心、意大利TAS(Thales Alenia Space Italia)、法國ASL(Airbus-Safran Launchers)、ESF(European Science Foundation)、CNES(Centre National d′Etudes Spatiales)等核領(lǐng)域和航天領(lǐng)域的專業(yè)研究機構(gòu)合作開展，巴西IEA(Instituto de Estudos Avancados)作為觀察員。技術(shù)路線為建立200 kW的閉式布雷頓循環(huán)(見圖5)，將熱管輻射反應堆的熱量轉(zhuǎn)換成電推力器所需的電能。目前正在進行單機設(shè)計以及地面演示驗證裝置基準測試初步設(shè)計，計劃在2023年進行全系統(tǒng)試驗。

圖4 DEMOCRITOS試驗系統(tǒng)及參數(shù)

圖5 俄羅斯Keldysh研究中心的INPPS地面演示試驗裝置

DEMOCRITOS項目目前已經(jīng)完成了1 MW量級核電推進太空飛船初步設(shè)計，并針對木衛(wèi)二和火星探測任務給出了兩套整體方案，根據(jù)任務進行的空間環(huán)境與系統(tǒng)要求的不同，分別采用了不同的反應堆防護層和散熱器結(jié)構(gòu)(見圖6)，最終目標達到向木衛(wèi)二運送12 t貨物以及向火星運送18 t貨物的能力。

圖6 INPPS飛船總體系統(tǒng)設(shè)計

在法國的推動下，2019年歐空局(ESA)發(fā)布了最新的《空間核電源使用安全政策》，“針對上世紀八九十年代歐空局與NASA的聯(lián)合核動力任務以來，有關(guān)核活動的安全標準、最佳實踐、公眾認知、透明度和審查要求等所取得的重大進展”，建立了適應最新發(fā)展要求的空間核動力領(lǐng)域的安全準則框架，為未來的基礎(chǔ)研究和工程應用奠定了政策基礎(chǔ)。

1.4 中國

我國早在1949年就率先由錢學森提出了發(fā)展核火箭的構(gòu)想，并于1958年在原北京航空學院設(shè)立了核火箭發(fā)動機系。其后，受國際應用趨勢和國內(nèi)發(fā)展方向影響，有關(guān)研究一度陷入停滯。進入21世紀后，空間核動力推進逐漸被重新提上日程。

在空間核反應堆方面，中國原子能科學研究院以載人火星探測任務為應用背景，開展了針對核熱推進的工作原理和總體結(jié)構(gòu)論證，完成了多個空間核反應堆的方案設(shè)計；清華大學則在國內(nèi)第一座高溫氣冷堆(HTR-10堆)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索了球床堆等堆形結(jié)構(gòu)在核電推進系統(tǒng)中的適應性。

在火箭發(fā)動機方面，航天科技集團六院11所(京)瞄準載人登火、深空探測以及行星資源開發(fā)等任務背景，以核熱發(fā)動機地面原理樣機為出發(fā)點，提出了合理可行的空間核熱推進發(fā)動機總體及主要組件技術(shù)方案，進而開展了優(yōu)化設(shè)計和非核模擬原理試驗研究，同時也開展了基于斯特林循環(huán)的空間核電推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究；航天科技集團五院502所聯(lián)合中國原子能科學研究院和北京航空航天大學成立了空間核推進技術(shù)聯(lián)合實驗室，開展了空間核動力航天器方案論證并梳理出了系統(tǒng)級及子系統(tǒng)級別的關(guān)鍵技術(shù)，目前正在開展系統(tǒng)級的初步設(shè)計和優(yōu)化工作，還對兼顧布雷頓回熱循環(huán)發(fā)電的雙模式空間核熱推進系統(tǒng)進行了探索；航天科技集團六院11所在載人航天領(lǐng)域支持下聯(lián)合中國核動力研究設(shè)計院、中國工程物理研究院，開展了基于百噸級推力核熱火箭發(fā)動機的應用方案論證，包括重型火箭上面級、軌道轉(zhuǎn)移運載器、載人登火、深空探測等，論證了10 t/100 t推力核熱火箭發(fā)動機系統(tǒng)論證和組件參數(shù)，進行了反應堆燃料對比分析，并完成了燃料包殼材料2 500 K耐高溫試驗和結(jié)構(gòu)材料輻照試驗；航天科技集團六院801所聯(lián)合國內(nèi)多家單位開展了百千瓦級空間核電推進系統(tǒng)方案論證，重點開展了閉式布雷頓循環(huán)大功率熱電轉(zhuǎn)換與大推力磁等離子體發(fā)動機和霍爾推力器研究。

2 未來技術(shù)發(fā)展方向

為滿足未來太陽系邊際探測、深空軌道轉(zhuǎn)移、載人深空探測、星表能源站、大型空間運輸、大功率雷達、空間定向能攻防武器等空間任務對于高可靠可持續(xù)動力的需求，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間核動力推進能力是我國建設(shè)航天強國的必經(jīng)之路。針對空間核動力領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的短板及瓶頸，結(jié)合國際發(fā)展經(jīng)驗，明確我國技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展主要從以下幾個方向展開。

2.1 推進系統(tǒng)設(shè)計模塊化

從研發(fā)周期、技術(shù)成熟度、產(chǎn)品型號遞進關(guān)系等角度出發(fā)，應該突破熱力循環(huán)設(shè)計、高效廢熱排散、材料長期輻照耐受性、高溫金屬選型加工等關(guān)鍵技術(shù)，首先完成小功率、小推力空間核動力推進系統(tǒng)的設(shè)計和研制，再通過“捆綁”組合小型推進模塊的方式將推進系統(tǒng)進行放大。

模塊化設(shè)計的優(yōu)勢主要在于：一是設(shè)計裕度寬松，由于系統(tǒng)的輻射劑量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量較低，能夠采取較大的冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)的安全性；二是系統(tǒng)可靠性高，多臺小型推進模塊組合實現(xiàn)的大推力結(jié)構(gòu)對于模塊失效的容忍度更高；三是材料耐溫要求更低，由于反應堆出口溫度相對較低，對于反應堆結(jié)構(gòu)材料與元件材料的要求與現(xiàn)有工程體系相當，具備較好的安全設(shè)計基礎(chǔ)；四是研究周期短、試驗成本低，只需對模塊進行完整的研究和試驗，即可保證組合后的系統(tǒng)性能。

2.2 空間核反應堆設(shè)計通用化

對于空間核反應堆的堆芯方案以及燃料元件應采取通用化的組合設(shè)計，強化反應堆對于不同能量轉(zhuǎn)換方式以及不同推力規(guī)模的系統(tǒng)適配性，一方面使之能夠同時適配核熱推進系統(tǒng)或核電推進系統(tǒng)，具有通用的換熱結(jié)構(gòu)、接口和設(shè)計約束條件，避免重復研發(fā)降低成本；另一方面在具體參數(shù)不明確的情況下，能夠通過直接增減標準燃料元件的數(shù)量，構(gòu)建不同尺寸以及熱功率水平的反應堆，進一步實現(xiàn)發(fā)動機推力水平的縮放。在地面試車和飛行試驗中，只對低功率空間核反應堆進行驗證，再在實際的飛行任務中根據(jù)不同的推力和比沖需求進行組合設(shè)計。

2.3 空間核動力推進能力譜系化

根據(jù)美國、俄羅斯、歐盟的發(fā)展方案，對于不同輸出功率的空間核反應堆的研究均已進行規(guī)劃布局，其中電源功率涵蓋千瓦級到兆瓦級，以滿足太陽系邊際探測、深空軌道轉(zhuǎn)移、地月及地火往返等不同空間任務對于推進系統(tǒng)的需求。我國也應對空間核動力推進系統(tǒng)進行整體布局，通過系列化、譜系化的研發(fā)工作，帶動耐高溫抗輻射材料、超高效率熱排散、系統(tǒng)總裝集成等關(guān)鍵技術(shù)的階梯式發(fā)展。

2.4 提升研發(fā)經(jīng)濟性與實效性

隨著時代的發(fā)展，對于此類大體量涉核研究的經(jīng)濟性與實效性都提出了更高的要求，世界各國在充分利用現(xiàn)有陸地核反應堆技術(shù)的基礎(chǔ)上，普遍采取國際合作和民間融資的方式，均攤研發(fā)風險，提高研發(fā)效率。以美國Kilopower項目為例，NASA在分系統(tǒng)中廣泛采用包括斯特林發(fā)電機在內(nèi)的成熟商業(yè)組件，有效提高了總體方案的可靠性。近年來國際政治局勢和經(jīng)濟形勢發(fā)生重大變化，我國更應積極推動空間核動力發(fā)展，在缺乏國際合作的情況下充分利用民間資本與技術(shù)，特別是對于非核動力組件適當放開，利用我國優(yōu)勢商業(yè)制造能力促進總體研發(fā)能力的提升。

此外，應該對動力系統(tǒng)和空間堆系統(tǒng)并行開展試驗驗證。在動力系統(tǒng)試驗中廣泛采用非核試驗，降低試驗難度和維護成本，以電加熱模擬核反應堆在沒有輻射安全風險的前提下對動力組件的熱可靠性充分論證。在空間堆系統(tǒng)試驗中對輻照特性進行測試，建立完善的核輻照仿真方法，盡可能在涉核試驗前提高技術(shù)成熟度，將失敗甚至泄漏風險降至最低。

2.5 技術(shù)路線全面論證、集中突破

在對某一推力范圍的空間核動力推進系統(tǒng)進行研發(fā)時，應該首先進行技術(shù)路線論證，根據(jù)本國技術(shù)基礎(chǔ)、目標性能參數(shù)、功率適用范圍、研發(fā)成本周期等因素進行綜合考量，在此基礎(chǔ)上還要對堆芯、輻射屏蔽、熱力循環(huán)、散熱器等分系統(tǒng)可能的技術(shù)路線進行更加詳細的論證。在對比技術(shù)路線時，無法完全追求技術(shù)指標最高，而應整體權(quán)衡技術(shù)的成熟度、先進性和經(jīng)濟性，在技術(shù)的發(fā)展與繼承上達到有機統(tǒng)一。確定技術(shù)路線后還應注意辨別各項關(guān)鍵技術(shù)，最終做到有的放矢、突出重點、集中突破。

2.6 完善空間核安全評估體系

自核工業(yè)建立以來，偶有發(fā)生的大規(guī)模地面核事故一直使其發(fā)展備受爭議?？臻g核動力源的試驗與應用，因維修困難、響應時間長、影響范圍不可控等特性，更加引起輿論的警惕。因此，在著力發(fā)展空間核動力技術(shù)的同時，一定要隨著探索的深入構(gòu)建相匹配的空間核安全評估體系，對于技術(shù)路線、試驗方法開展全面可量化的風險評估，并推動國內(nèi)國際立法建立相應的涉核飛行信息披露制度，從而消除民眾顧慮，降低使用風險。

2.7 提高推進系統(tǒng)多模式、變工況適應性

雖然核反應堆作為動力源保證了長時間可持續(xù)的能源供應，但是熱力學原理限制了核熱推進系統(tǒng)的比沖以及核電推進系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)化效率的進一步增長，為滿足深空探測在復雜空間環(huán)境中對于大推力、高比沖的需求，應著力發(fā)展具有多種推進模式的空間核動力推進系統(tǒng)，如核熱-核電雙模式共推進，可根據(jù)不同空間任務的動力需求切換工作模式，非常適合深遠空或雙程模式航行。

在此基礎(chǔ)上，空間核電源產(chǎn)生的一部分電力可以供給航天器用于數(shù)據(jù)傳輸、生命保障以及液氫工質(zhì)的主動低溫貯存等；核熱推進系統(tǒng)還可以在噴管擴張段引入氧氣，進行混合比可調(diào)的增強燃燒來提高推力(見圖7)；對核反應堆燃料元件進行合理設(shè)計實現(xiàn)單位質(zhì)量核能釋放率的調(diào)節(jié)。通過上述手段能夠達到調(diào)節(jié)比沖、推重比的目的，在系統(tǒng)質(zhì)量增長可控的前提下，在不同的物理化學機制驅(qū)動作用下實現(xiàn)高比沖/小推力工況到低比沖/大推力工況間的大范圍分檔過渡甚至連續(xù)過渡，從而提高推進系統(tǒng)在深空環(huán)境中的適應性。

圖7 多種模式核熱推進示意圖

3 未來空間核動力推進領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)

作為將核工業(yè)與航天工業(yè)深度融合的大型復雜航天器系統(tǒng)，空間核動力推進涉及不同的學科專業(yè)，各分系統(tǒng)之間互相制約又緊密耦合，因而對于總體設(shè)計、系統(tǒng)集成、仿真試驗均提出了極高的要求。在全面考量分系統(tǒng)技術(shù)成熟度、接口關(guān)系、約束條件的前提下，需對以下關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，最終根據(jù)任務場景和具體需求得到最優(yōu)解決方案，真正在空間核動力推進領(lǐng)域做到型譜化發(fā)展。

3.1 空間核反應堆總體設(shè)計技術(shù)

無論是核電推進技術(shù)還是核熱推進技術(shù)，空間核反應堆作為能量來源，一般通過熱中子轟擊燃料的原子核引發(fā)核裂變鏈式反應釋放能量，與中子的時間、能量及空間分布密切相關(guān)，反過來又對推進系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生直接影響?？臻g核反應堆與地面核反應堆具有明顯差異，要求質(zhì)量更輕且結(jié)構(gòu)緊湊，在出現(xiàn)一切事故的情況下反應堆都不能臨界。反應堆與高溫換熱、廢熱排放等分系統(tǒng)之間還具有強烈的耦合相關(guān)關(guān)系，瓶頸在于耐高溫材料及其加工工藝。空間核反應堆需要將工質(zhì)在頭部極短的流程內(nèi)瞬時加熱到工作溫度，對燃料芯體的功率密度以及燃料元件與工質(zhì)之間的換熱能力提出了更高的要求，使得反應堆具有軸向流動溫度梯度大、燃料元件結(jié)構(gòu)承受工質(zhì)熱物性復雜等特點，給設(shè)計帶來了很大的難度。

應基于目前已有的數(shù)據(jù)與模型，利用高性能計算仿真技術(shù)，綜合考量功率、質(zhì)量、工質(zhì)溫度、體積、壽命、反應性控制、臨界安全等各參數(shù)之間的匹配和制約關(guān)系，合理選擇燃料元件的布置與結(jié)構(gòu)、工質(zhì)流道設(shè)置、反射層結(jié)構(gòu)、反應性控制方式等，進行反應堆方案論證和設(shè)計，篩選確定轉(zhuǎn)化效率高、技術(shù)成熟度高、可行性強的系統(tǒng)方案。

3.2 高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

熱電轉(zhuǎn)換作為核電推進的核心系統(tǒng)，將核反應堆的熱能轉(zhuǎn)換為能夠被直接利用的電能(見圖8)。針對未來空間核動力航天器對于大功率電源的需求，為提高能量利用效率，保障深空探測任務的實施，必須發(fā)展高效、高可靠、功率密度大、與核反應堆靈活適配的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。對于動態(tài)發(fā)電技術(shù)而言，雖然其能夠達到更高的輸出功率，但是因為包含機械旋轉(zhuǎn)部件且具有極高的循環(huán)溫度和運轉(zhuǎn)速度，對空間環(huán)境適應性、長壽命性能、高溫性能提出了嚴苛要求。因而在高效緊湊型渦輪壓氣發(fā)電機組系統(tǒng)技術(shù)、高速大功率啟發(fā)一體電機技術(shù)、渦輪壓氣機匹配設(shè)計技術(shù)、高速轉(zhuǎn)子動力學及振動抑制技術(shù)、空間微重力環(huán)境高阻尼懸浮軸承及冷卻技術(shù)等方面均存在技術(shù)攻關(guān)的必要。

圖8 空間布雷頓發(fā)電裝置示意圖

3.3 大功率空間輻射散熱技術(shù)

在空間環(huán)境中，系統(tǒng)廢熱只能通過熱輻射的方式進行排散，因而必須通過提高輻射散熱器性能來減小整個推進系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸。尤其對于大功率空間核動力推進系統(tǒng)，輻射散熱器占據(jù)了系統(tǒng)絕大部分的空間結(jié)構(gòu)。因此，散熱效率和散熱器的質(zhì)量、面積是影響核電源性能的主要約束條件。當前熱管式和泵驅(qū)動中高溫流體回路式散熱系統(tǒng)具有較好基礎(chǔ)，但存在系統(tǒng)質(zhì)量大且只能通過增大散熱面積擴大散熱量等缺點。而液滴輻射散熱器(見圖9)具有更高的散熱效率，其中作為熱載體的工作液體通過液滴發(fā)生器的噴口，直接進入空間飛行一段距離，通過輻射放出熱量，然后被液滴收集器回收，將是未來技術(shù)研究的重點。當空間核電源與大功率電推力器組合使用時，電推進系統(tǒng)同樣面臨散熱問題，應統(tǒng)一考慮整個航天器的輻射散熱設(shè)計，有利于系統(tǒng)整體質(zhì)量和尺寸的降低。

圖9 液滴輻射散熱器原理示意圖

3.4 空間核反應堆芯體材料選型與制造工藝

雖然與常規(guī)推進劑相比，核燃料能量密度極高，不存在犧牲載荷的問題，但是空間中需要對反應堆的能量釋放速率進行安全、精確、可靠地控制，因而對芯體材料的選擇與構(gòu)型提出了極高的要求，應能夠在高溫、腐蝕、輻照的環(huán)境下穩(wěn)定工作。一方面反應堆燃料工作溫度與能量轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，燃料元件需要在盡可能高的溫度下保持優(yōu)良的力學性能和熱學性能；另一方面有效傳遞到能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)的熱量決定了空間核動力裝置的功率，用于強化工質(zhì)換熱的結(jié)構(gòu)元件需要保持長時間的耐輻照可靠性以及與高溫工質(zhì)的相容性。在材料選型的基礎(chǔ)上，還需進一步對燃料芯體的成分配比與粉末制備工藝、結(jié)構(gòu)元件的密封焊接工藝等進行深入研究，最終掌握空間核反應堆芯體制造工藝。

3.5 輕質(zhì)高效核輻射屏蔽技術(shù)

在空間核反應堆的利用過程中，需要對堆芯進行有效的輻射屏蔽，由于不同的材料能夠屏蔽不同種類的射線，一般通過多種材料復合的方式獲得輕質(zhì)高效的核輻射屏蔽層(見圖10)。例如，γ射線能夠在具有高原子序數(shù)的貧化鈾或鎢材料中迅速衰減；而熱中子則能夠被碳化硼或氫化鋰等含有輕元素的材料慢化和吸收。不同材料之間具有不同的耐溫性能以及輻照腫脹特性，需要在綜合考慮輕質(zhì)化要求的基礎(chǔ)上，對于復合層進行合理設(shè)計，避免層面脫落破壞屏蔽。

圖10 空間核反應堆輻射屏蔽復合層

3.6 發(fā)動機快速啟動技術(shù)

對于傳統(tǒng)火箭發(fā)動機來說，其啟動響應時間一般在毫秒級，而地面核反應堆至少需要幾個小時才能完成從零功率到滿功率的啟動。因此，開展針對空間核反應堆的快速啟動技術(shù)的研究是十分必要的。當空間核反應堆啟動時，應當綜合考慮不同反應性效應的大小，確定合理的引入速率，在實現(xiàn)快速啟動的前提下避免瞬發(fā)臨界的發(fā)生；同時應當考慮芯體材料的溫度變化梯度，防止溫度快速變化導致熱應力過大；此外，還應根據(jù)反應堆啟動時的功率變化實現(xiàn)對換熱工質(zhì)流量的大范圍精確調(diào)節(jié)，既要維持工質(zhì)出口溫度穩(wěn)定保證推進系統(tǒng)比沖，又要避免反應堆過熱造成芯體燒毀。

3.7 系統(tǒng)仿真及試驗驗證技術(shù)

為提升系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)的效率和經(jīng)濟性，應深入研究空間核反應堆的熱力學動力學機理及輻照特性，突破微重力強輻照條件下的空間核反應堆高精度高性能仿真技術(shù)，引入機器學習手段對于結(jié)構(gòu)設(shè)計進行高通量篩選，形成完善的數(shù)字化樣機研制體系。在此基礎(chǔ)上，厘清核反應堆在空間環(huán)境中的邊界條件和約束特性，進行不同堆型和功率量級的地面試驗，對仿真模型及設(shè)計方案進行校核驗證。在動力系統(tǒng)試驗中廣泛采用非核試驗，以電加熱充分模擬核反應堆運行及故障特性，在沒有輻射安全風險的前提下對動力組件的熱可靠性論證，降低試驗難度和維護成本。此外，在對空間核動力航天器進行試驗驗證時，主要針對與常規(guī)動力航天器不同的結(jié)構(gòu)及輻射特性，針對具有輕型高剛度伸展機構(gòu)的大撓性航天器姿態(tài)控制、基于熱回路和散熱技術(shù)的中高溫熱綜合管理、空間輻射模擬及防護等方面開展試驗。

3.8 空間核反應堆安全防護技術(shù)

核安全在空間核動力能否投入實際應用上具有一票否決權(quán)。與常規(guī)地面核設(shè)施相比，空間核動力飛行器需要通過運載火箭運送入軌后再啟動，隨后在宇宙空間中持續(xù)運行。因此，空間核反應堆一方面依賴于運載火箭的可靠性，另一方面在工作過程中一直處于運動狀態(tài)，且空間環(huán)境中存在宇宙射線、高能粒子等復雜條件。針對空間核動力應用過程中面臨的安全問題，應當通過空間核反應堆安全防護技術(shù)，識別并歸納從發(fā)射、入軌到工作、返回各個階段可能發(fā)生的安全事故，建立故障概率評估模型，確定相應的安全要求與安全準則。針對影響重大的嚴重安全事故，如在軌失冷、發(fā)射掉落等，充分進行理論論證，制訂應急安全措施預案，并反饋到空間核動力系統(tǒng)總體設(shè)計中，確?？臻g核動力的安全在可控范圍之內(nèi)。

4 我國研究展望

空間核動力推進具有研發(fā)周期長、學科跨度大、技術(shù)難度高的特點，美國和俄羅斯在長期研究的基礎(chǔ)上與實際應用尚有一定距離。我國在有關(guān)研究上起步晚、底子薄，存在不少技術(shù)空白，因此為支撐我國未來高性能遠距離空間推進的技術(shù)發(fā)展，有必要識別核心優(yōu)勢和潛在風險，盡快梳理明確技術(shù)路線，并持續(xù)給予人力物力支持。

分析我國在空間核動力領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，核心競爭優(yōu)勢主要有以下幾點：

1)工業(yè)鏈條完整?？臻g核動力推進系統(tǒng)在研發(fā)過程中需要涉及復雜的工業(yè)制造技術(shù)，我國現(xiàn)有的工業(yè)體系已經(jīng)能夠獨立完成核工業(yè)和航天工業(yè)相關(guān)的制造任務，足以支撐相關(guān)特殊零部件的生產(chǎn)加工，為后續(xù)型號化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2)地面核反應堆核心技術(shù)成熟。我國在幾十年來已經(jīng)建立了多座不同技術(shù)方案的地面核電站，并在技術(shù)引進的基礎(chǔ)上進行了獨立自主研發(fā)，在此期間積累了大量核反應堆運行數(shù)據(jù)，可以為空間核反應堆設(shè)計提供參考。相應的核燃料元件及控制元件設(shè)計方法也能夠在改進后應用于空間堆制造。

3)航天器總體設(shè)計經(jīng)驗豐富。我國在航天領(lǐng)域擁有完整的核心技術(shù)和制造能力，對于使用傳統(tǒng)化學推進及電推進的空間航天器具有豐富的總體設(shè)計經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上充分考慮空間核反應堆的控制及防護部分，能夠為空間核動力航天器的總體設(shè)計提供重要保障。

然而，在空間核動力的研發(fā)過程中也存在以下潛在風險：

1)材料制造能力難以滿足需求。空間核反應堆由于集約化總體設(shè)計及熱效率提升需要，對材料的耐高溫和輻射屏蔽性能提出了很高的要求，我國在先進材料制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)薄弱，短期內(nèi)還難以達到相應水平，存在反應堆熱功率無法有效提高的風險。

2)工藝水平有待進一步提高。在進行技術(shù)研究和總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，空間核動力航天器的工程實現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化應用還有賴于制造工藝水平。而目前我國對于高匹配精度、高結(jié)構(gòu)強度的新型航天器尚缺乏加工裝配經(jīng)驗，存在工藝水平無法滿足設(shè)計要求的風險。

3)安全評估體系尚不健全。核安全問題一直是世界各國的關(guān)注焦點，但是不同于美俄已經(jīng)具有空間核動力飛行器的在軌應用經(jīng)驗，我國在該領(lǐng)域的實際應用尚處空白，亟需建立適合我國技術(shù)水平的安全評估與安全管理體系，提高研發(fā)過程安全性與透明度，降低民眾擔憂。

4)國際規(guī)則制定參與度。關(guān)于核動力航天器的國際規(guī)則主要是1993年的《關(guān)于在外層空間使用核動力源的原則》和2009年的《外層空間核動力源應用安全框架》，相關(guān)的國際規(guī)則談判正在開展。我國在發(fā)展空間核動力推進技術(shù)的過程中，也應當合理預判空間核動力規(guī)則國際談判形勢，在戰(zhàn)略層面上對自身角色進行合理定位，確保中國空間核動力航天器應用發(fā)展的政策空間，積極參與、引導甚至主導國際規(guī)則的制定。

綜合各主要國家的技術(shù)發(fā)展路徑和最新研究成果來看，由于極高的能量密度和運行穩(wěn)定性，發(fā)展空間核動力飛行器是未來深空探測的必由之路。各個國家也根據(jù)自身技術(shù)條件確定了適合自己的發(fā)展路線，污染更小、比沖更高的核電推進(如美國的千瓦級Kilopower、俄羅斯與歐盟合作的兆瓦級國際空間核電推進INPPS飛船)成為近年來的主流選擇。

然而，我國在空間核動力推進領(lǐng)域目前尚未有國家層面的發(fā)展規(guī)劃出臺，技術(shù)儲備仍然比較薄弱，相關(guān)的科研力量也較為分散，雖然在各子系統(tǒng)的重點技術(shù)方面進行了一定的理論可行性研究與性能提升工作，但是仍缺乏系統(tǒng)級的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，難以形成研究合力。因此，現(xiàn)階段我國亟需在充分論證的基礎(chǔ)上建立中長期發(fā)展規(guī)劃，識別關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向，同時提升高端工業(yè)制造能力以促進空間核動力未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?？傮w來說，國內(nèi)已經(jīng)認識到未來空間核動力的重大意義，對于各子系統(tǒng)零部件也具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，還需要抓住機遇迎頭趕上。