張嘉毅（國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

當(dāng)前，全球太空探索進(jìn)入大發(fā)展時代，飛得更快、飛得更遠(yuǎn)成為航天大國追求的更高目標(biāo)。核動力火箭具有功率高、比沖大、工作時間長等特點(diǎn)，十分契合深空探索、深空運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)需求，是未來太空運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。美國國家航空航天局（NASA）副首席技術(shù)官大衛(wèi)·施泰茨曾表示，為實(shí)現(xiàn)人類火星任務(wù)，美國應(yīng)創(chuàng)建國家太空核推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)太空核推進(jìn)這一將改變太空旅行游戲規(guī)則的關(guān)鍵技術(shù)。

1 太空核推進(jìn)技術(shù)將為深空探索帶來新動力

目前，全球運(yùn)載火箭主要依靠化學(xué)燃料提供動力，但化學(xué)火箭比沖較低，約為500s，并已接近極限，很難滿足未來深空探測和太空運(yùn)輸所需的長距離和長時間飛行需求。同時，化學(xué)火箭需要攜帶燃燒劑和氧化劑兩種推進(jìn)劑組元，自身發(fā)射重量較大，發(fā)射成本高。

核動力火箭發(fā)動機(jī)工作原理與液體火箭類似，借助核反應(yīng)堆替代化學(xué)燃燒室，利用核反應(yīng)釋放的熱量直接加熱工質(zhì)，使其從噴管中高速噴出，從而產(chǎn)生巨大推力。根據(jù)反應(yīng)類型不同，核動力火箭發(fā)動機(jī)可分為核裂變和核聚變兩類。核裂變火箭發(fā)動機(jī)采用核裂變反應(yīng)堆，并且采用分子量最低的氫作為工質(zhì)，可得到極高的噴氣速度，其比沖比化學(xué)能火箭高出數(shù)倍，達(dá)到1000s。核聚變火箭發(fā)動機(jī)利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能，推進(jìn)方式主要包括脈沖核聚變推進(jìn)和磁約束核聚變推進(jìn)。

核動力火箭推進(jìn)器提供的推重比約為電力推進(jìn)器的10000 倍，效率比太空化學(xué)推進(jìn)器高2～5 倍。因此，核動力推進(jìn)是一種兼具電推進(jìn)的高比沖與化學(xué)火箭大推力優(yōu)點(diǎn)的推進(jìn)方式，是引領(lǐng)未來深空探索動力變革的重要技術(shù)方向。

2 美國高度重視核熱推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，積極推進(jìn)核熱火箭研制進(jìn)程

美國作為太空大國對核熱推進(jìn)技術(shù)研究由來已久。美國自20 世紀(jì)50 年代中期以來實(shí)施了多項(xiàng)核火箭計劃，包括“核火箭開發(fā)計劃”（ROVER）、“用于太空推進(jìn)的核火箭發(fā)動機(jī)的研制計劃”（NERVA）、“太空核熱推進(jìn)計劃”（SNTP）、“太空探索倡議”（SEI）、“普羅米修斯計劃”（Prometheus Project）等。據(jù)統(tǒng)計，NASA 在1959-1972 年進(jìn)行過23 次核熱推進(jìn)反應(yīng)堆測試，并研制了核動力發(fā)動機(jī)，但隨著1972 年美國國會放棄登陸火星的計劃，相關(guān)項(xiàng)目和技術(shù)研發(fā)隨之終止。

2017 年，美國時任總統(tǒng)特朗普簽署《航天政策1 號令》（SPD-1），宣布美國將重返月球，并最終前往火星，掀起新一輪深空探索熱潮。2020 年12 月，美國政府發(fā)布《航天政策6 號令》，從國家層面要求組織科學(xué)研發(fā)，提升太空核技術(shù)能力，通過應(yīng)用太空核動力技術(shù)，保持并加強(qiáng)美國在太空領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。此后，美國繼續(xù)推進(jìn)核熱火箭研發(fā)進(jìn)程。

2021 年4 月，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）授予通用原子（GA-ASI）、藍(lán)色起源（Blue Origin）和洛馬公司（LM）“敏捷地月運(yùn)行演示驗(yàn)證火箭”（DRACO）項(xiàng)目第一階段合同。DRACO項(xiàng)目旨在2025 年在低地球軌道上演示驗(yàn)證核熱推進(jìn)（NTP）系統(tǒng)，以提升美國航天器在地月空間內(nèi)的機(jī)動能力。DRACO 項(xiàng)目的第一階段約18 個月，包括兩項(xiàng)任務(wù)：一是對NTP 反應(yīng)堆和推進(jìn)子系統(tǒng)概念進(jìn)行初步設(shè)計；二是將設(shè)計“演示驗(yàn)證系統(tǒng)”（DS）航天器概念?！懊艚莸卦逻\(yùn)行演示驗(yàn)證火箭”概念圖如圖1 所示。

圖1 “敏捷地月運(yùn)行演示驗(yàn)證火箭”概念圖

2022 年5 月，DARPA 發(fā)布DRACO 項(xiàng)目的第二和第三階段征詢書，設(shè)計、開發(fā)、制造和組裝核熱火箭發(fā)動機(jī)。其中，第二階段的目標(biāo)是完成演示系統(tǒng)的初步和詳細(xì)設(shè)計，并建造和試驗(yàn)核熱火箭發(fā)動機(jī)；第三階段的目標(biāo)是在2026 財年進(jìn)行核熱火箭發(fā)動機(jī)的全功率在軌飛行試驗(yàn)。2022 年11 月，美國通用電子電磁系統(tǒng)公司宣布，完成DRACO 計劃A 任務(wù)第一階段關(guān)鍵里程碑，包括交付核熱推進(jìn)反應(yīng)堆和發(fā)動機(jī)的基線設(shè)計，并使用NASA 核熱火箭元件環(huán)境模擬器成功測試核反應(yīng)堆的耐高溫元件等關(guān)鍵部件。

2023 年1 月，NASA 和DARPA 宣布合作開發(fā)和測試核熱火箭發(fā)動機(jī)，為推進(jìn)DRACO 項(xiàng)目提供支持。根據(jù)合作協(xié)議，NASA 太空技術(shù)任務(wù)理事會將負(fù)責(zé)核熱發(fā)動機(jī)的技術(shù)開發(fā)；DARPA 將負(fù)責(zé)包括火箭系統(tǒng)集成和采購、批準(zhǔn)、調(diào)度和安全，并確保發(fā)動機(jī)與航天器的整體組裝與集成。NASA 局長比爾·尼爾森表示，NASA 和DARPA 最快將在2027 年開發(fā)并演示先進(jìn)的核熱推進(jìn)技術(shù)，為未來載人火星任務(wù)奠定基礎(chǔ)。7 月，DARPA 和NASA 聯(lián)合授予洛馬公司一份價值約5 億美元的合同，用于設(shè)計和建造核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)火箭。該火箭將利用核裂變獲取動力，擬于2025-2026 年完成演示驗(yàn)證。

2023 年10 月，NASA 授予美國超安全核技術(shù)公司價值500 萬美元合同，用于研發(fā)NTP 系統(tǒng)。該公司于2023 年初向NASA 的太空核能源和推進(jìn)項(xiàng)目交付了“三結(jié)構(gòu)同向性型”（TRISO）核燃料。此外，該公司將與藍(lán)色起源公司合作，共同推進(jìn)NTP 發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作。

2023 年11 月，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室授予洛馬公司價值3370 萬美元合同，用于為“聯(lián)合新興在軌核補(bǔ)給技術(shù)”（JETSON）項(xiàng)目開發(fā)核動力航天器。JETSON 項(xiàng)目旨在將裂變反應(yīng)堆發(fā)射入軌，通過反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化，為航天器載荷或電推進(jìn)系統(tǒng)提供動力。未來，洛馬公司將與太空核動力公司（Space Nukes）和BWX 技術(shù)公司（BWXT）合作，共同開展JETSON 項(xiàng)目研發(fā)。

3 俄羅斯推進(jìn)核動力太空拖船技術(shù)研發(fā)

作為傳統(tǒng)的核能開發(fā)應(yīng)用強(qiáng)國，蘇聯(lián)/俄羅斯在太空核能技術(shù)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，早在20 世紀(jì)60-70 年代就發(fā)射了多枚核能供電的衛(wèi)星、探測器。自蘇聯(lián)解體后，俄羅斯受經(jīng)濟(jì)等多方因素影響放緩了在太空探索技術(shù)方面的研發(fā)力度，但是在核能應(yīng)用領(lǐng)域的研究未曾中斷。

2020 年12 月，俄羅斯航天國家集團(tuán)公司（ROSCOSMOS）與圣彼得堡設(shè)計局阿森納公司（Arsenal）簽署了一份價值5700 萬美元的合同，開展“宙斯”（Nuclon）核動力太空拖船的初步設(shè)計工作。2022 年4 月，俄羅斯首次展示了“宙斯”核動力太空拖船的工作原理。《俄羅斯宇宙》雜志介紹稱，作為載熱介質(zhì)的氣體經(jīng)過反應(yīng)堆，后者通過核裂變釋放熱量，被加熱的氣體帶動渦輪，后者與發(fā)電機(jī)連接，產(chǎn)生電能，并通過氣體壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體在封閉回路中的循環(huán)。

“宙斯”太空拖船核反應(yīng)堆將能滿足拖船在地球軌道與太空站之間的穿梭任務(wù)，還能助力月球基地建設(shè)，更有望執(zhí)行深空探測任務(wù)?！爸嫠埂碧胀洗b備有兆瓦級核動力裝置，可在200 天內(nèi)實(shí)現(xiàn)從近地球軌道向月球軌道運(yùn)載10t 有效載荷的能力，并可為軌道站或著陸艙提供電力支持。未來，“宙斯”不僅可為航天器推進(jìn)系統(tǒng)提供動力，還可為月球、火星、金星和小行星帶等深空探測任務(wù)提供動力支持?！爸嫠埂碧胀洗难邪l(fā)將有助于推進(jìn)月球基地建設(shè)和人類對太空的深入探索。

4 英國公司探索核聚變火箭推進(jìn)技術(shù)

2023 年7 月，英國脈沖星聚變公司（Pulsar Fusion）稱其正在建造一款核聚變火箭發(fā)動機(jī)。該款發(fā)動機(jī)采用直接聚變驅(qū)動（DFD），是一種緊湊型核聚變發(fā)動機(jī)，可為航天飛船提供推力和電力。該發(fā)動機(jī)使用氘和氦-3 作為推進(jìn)劑，可提供10～101N 的推力，速度可達(dá)8×105km/h，能夠?qū)⒒鹦侨蝿?wù)時間縮短一半，并使土星任務(wù)時間從10 年縮短到2 年。該公司的數(shù)據(jù)模型顯示，核聚變發(fā)動機(jī)具備在4 年內(nèi)將質(zhì)量約1t 的航天器推進(jìn)到冥王星的能力[美國旅行者-2（Voyager-2）探測器飛行12 年才飛掠冥王星]，還可為有效載荷提供約2MW 的電力支持。核聚變火箭概念設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 英國脈沖星聚變公司核聚變火箭概念設(shè)計圖

據(jù)公司網(wǎng)站介紹，該發(fā)動機(jī)的研制已進(jìn)入第三階段，即初始測試單元的制造階段，靜態(tài)測試將于2024 年開始，于2027 年進(jìn)行在軌演示。該公司在英國布萊奇利建造了核聚變反應(yīng)室，并與新澤西州的普林斯頓衛(wèi)星系統(tǒng)合作，利用超級計算機(jī)模擬等離子體在電磁約束下的活動，以及等離子體在離開火箭發(fā)動機(jī)時的狀態(tài)，為核聚變火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

脈沖星聚變公司由理查德·迪南于2011 年創(chuàng)立，總部位于英國牛津，目前為航空航天和國防部門生產(chǎn)霍爾推力器和二級火箭發(fā)動機(jī)。該公司于2022 年獲得了英國航天局的資助，與核先進(jìn)制造研究中心以及劍橋大學(xué)共同開發(fā)核裂變電推進(jìn)系統(tǒng)。

5 印度空間研究組織開展核動力推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)

長期以來，印度將太空力量發(fā)展視為提升綜合國力和全球影響力的重要抓手，在火箭運(yùn)力提升、衛(wèi)星體系構(gòu)建、商業(yè)航天發(fā)展等領(lǐng)域多向發(fā)力。其中，核動力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展將為提升航天器動能提供重要支持，受到了印度太空研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

2023 年7 月，印度空間研究組織（ISRO）與巴巴原子研究中心（BARC）合作開發(fā)先進(jìn)的核動力推進(jìn)系統(tǒng)。該推進(jìn)系統(tǒng)主要由兩個關(guān)鍵部件組成，包括放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(jī)（RTG）和放射性同位素加熱器（RHU）。其中，RTG 采用钚238 或鍶90 等放射性材料，將材料衰變釋放的熱能轉(zhuǎn)化為電能。目前，RTG 系統(tǒng)已在多項(xiàng)深空任務(wù)中有所應(yīng)用，美國的“旅行者”（Voyager）外層星系太空探測器、“卡西尼”（Cassini）行星探測器和“好奇”（Curiosity）火星探測器都利用了RTG 系統(tǒng)提供電力支持。RHU也是通過放射性材料衰變提供熱量的小型設(shè)備，類似于微型RTG，通?？商峁┘s1W 的熱量，熱量可持續(xù)釋放幾十年，甚至一個世紀(jì)。RHU 可在深空飛行任務(wù)中釋放熱量，為飛行器載荷工作提供適宜的溫度環(huán)境，避免儀器受過低溫度影響而損壞。

6 深空探索未來可期

深空探索是人類探尋宇宙奧秘、拓展空間認(rèn)知、實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。核動力技術(shù)作為具有顛覆潛力的深空推進(jìn)技術(shù)，將為人類加快科學(xué)探索步伐提供“新引擎”，為月球開發(fā)、載人探火、小行星研究以及太陽系邊緣探索等任務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。目前，以美國為首的西方國家正借《阿爾忒彌斯協(xié)定》（Artemis Accords）開展對月球的探索活動，并擬將月球打造為地外前沿基地，在搶占月球戰(zhàn)略要地的同時，為后續(xù)火星、小行星等更遠(yuǎn)更深的探測任務(wù)提供中轉(zhuǎn)中繼服務(wù)。美英等國加緊推進(jìn)核動力技術(shù)研發(fā)測試，擬大幅提升在地月空間內(nèi)的機(jī)動、運(yùn)載等能力，為擴(kuò)大深空競爭優(yōu)勢奠定技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，我國正穩(wěn)步推進(jìn)月球探索活動步伐，不僅通過實(shí)施嫦娥工程，實(shí)現(xiàn)了“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略，更是在2023 年5 月宣布2030 年前實(shí)現(xiàn)首次載人登月的宏偉目標(biāo)。為加快推進(jìn)航天強(qiáng)國建設(shè)，中國也應(yīng)抓住時機(jī)，以深空探索運(yùn)輸系統(tǒng)需求為牽引，圍繞核動力火箭技術(shù)開展論證和研究工作，助力中國探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠(yuǎn)。