國(guó)外空間核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示

□胡 健 宿吉強(qiáng) 李言瑞 李永航

近年來(lái)，我國(guó)航天探測(cè)活動(dòng)邁入高密度和高質(zhì)量發(fā)展階段，先后發(fā)射了天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器并攜帶“祝融號(hào)”火星車成功著陸于火星烏托邦平原南部，以及首顆太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”，實(shí)現(xiàn)我國(guó)太陽(yáng)探測(cè)零的突破。更長(zhǎng)時(shí)間的太空駐留和更遠(yuǎn)距離的太空探索，標(biāo)志著我國(guó)航天技術(shù)邁入了更高層次的新征程。同時(shí)也對(duì)空間探測(cè)器動(dòng)力源的持久性和可靠性提出了更高的要求，目前無(wú)論是空間站還是火星車，我國(guó)都主要采用太陽(yáng)能帆板作為航天器的能量來(lái)源，而早先登陸火星的美國(guó)“毅力號(hào)”以及更早的“好奇號(hào)”火星車則采用同位素钚-238核電池作為動(dòng)力來(lái)源。此外，2021年4月12日，美國(guó)國(guó)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(jì)劃將在2025年之前完成建造和演示核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。

隨著我國(guó)空間探索的深度與廣度不斷拓展，對(duì)于太陽(yáng)系中的其它離太陽(yáng)更遠(yuǎn)或是能接收太陽(yáng)光照更弱的行星，核動(dòng)力或許是完成探測(cè)任務(wù)的唯一選擇?？臻g站和火星車已經(jīng)開(kāi)啟了中國(guó)航天對(duì)星際探索的大門，因此空間動(dòng)力技術(shù)亟需快速發(fā)展，打造我國(guó)成熟的空間核動(dòng)力技術(shù)必將是下一個(gè)突破口。

一、國(guó)外空間核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和政策

目前，基于太陽(yáng)能、化學(xué)能的空間電源技術(shù)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在空間探索中具有更廣泛的應(yīng)用區(qū)間。美國(guó)、俄羅斯和歐盟國(guó)家等都把空間核動(dòng)力視為國(guó)家前沿核心技術(shù)，并積極圍繞空間應(yīng)用拓展和空間資源開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)，投入大量人力、資金和技術(shù)力量，制定了一系列空間開(kāi)發(fā)策略和研究計(jì)劃。

美國(guó)空間核動(dòng)力技術(shù)起步較早其技術(shù)儲(chǔ)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(xiàng)空間堆電源研發(fā)計(jì)劃，包括：SNAP系列計(jì)劃、SP-100計(jì)劃、FSP計(jì)劃和Kilopower計(jì)劃等，其中Kilopower迷你空間堆是目前世界各國(guó)對(duì)外公布的空間反應(yīng)堆中最為先進(jìn)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(guó)NASA完成了Kilopower空間堆電源系統(tǒng)帶核樣機(jī)地面測(cè)試。2020年11月，美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)宣布與空間核動(dòng)力公司(Space Nukes)簽署授權(quán)使用協(xié)議，目的是使這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)美國(guó)將在近期具備千瓦級(jí)空間堆電源的飛行應(yīng)用條件。除了NASA以外，美國(guó)國(guó)防部(DOD)正在推動(dòng)基于核熱推進(jìn)系統(tǒng)的“敏捷地月飛行示范火箭”(DRACO)計(jì)劃。2021年4月，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)授予DRACO項(xiàng)目第一階段合同，目標(biāo)是在2025年實(shí)現(xiàn)低地球軌道核熱推進(jìn)系統(tǒng)的示范運(yùn)行。

(二)俄羅斯。俄羅斯從蘇聯(lián)時(shí)期就開(kāi)始了空間核動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，盡管近些年俄羅斯經(jīng)濟(jì)低迷，但始終沒(méi)有停止對(duì)空間核動(dòng)力技術(shù)的探索。2016年，俄羅斯政府批準(zhǔn)了《關(guān)于俄羅斯聯(lián)邦2016～2025年航天計(jì)劃》第230號(hào)決議，根據(jù)其撥款計(jì)劃，到2025年，俄政府將投入1.4萬(wàn)億盧布發(fā)展本國(guó)航天業(yè)。以此為依據(jù)制定了未來(lái)10年的航天計(jì)劃，其中明確提出發(fā)展新型航天技術(shù)，研發(fā)新型航天基礎(chǔ)元器件和工藝技術(shù)，包括研發(fā)新型核動(dòng)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(gè)型號(hào)的空間核堆電源，電功率范圍可達(dá)到百瓦級(jí)至千瓦級(jí)[3]。2009年俄羅斯提出兆瓦級(jí)空間核動(dòng)力飛船技術(shù)，計(jì)劃2025年之前完成飛船制造和飛行試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

(三)歐盟國(guó)家。歐盟的法國(guó)、意大利、德國(guó)等國(guó)也在根據(jù)自身的空間核動(dòng)力應(yīng)用需求和未來(lái)太空技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，先后開(kāi)展了多項(xiàng)空間核動(dòng)力的概念研究和技術(shù)攻關(guān)。從2011年起，DiPoP和MEGAHIT等空間堆電源項(xiàng)目在歐盟委員會(huì)的支持下持續(xù)推進(jìn)。其中，DiPoP計(jì)劃(2011～2013年)的功率覆蓋范圍為20～200kW，重點(diǎn)研究空間核反應(yīng)堆推進(jìn)技術(shù)、公眾接受性原則、發(fā)射和運(yùn)行流程等；MEGAHIT計(jì)劃(2013～2014年)的功率可達(dá)到1MW，其目標(biāo)是為空間核電推進(jìn)航天器提供穩(wěn)定電能，任務(wù)需求包括地球軌道目標(biāo)偏移、提供長(zhǎng)周期空間探索的核推進(jìn)系統(tǒng)、大功率無(wú)人深空探測(cè)、空間拖船和載人火星探測(cè)任務(wù)等。作為以上計(jì)劃的項(xiàng)目延續(xù)，歐盟在2015～2017年期間開(kāi)始執(zhí)行“電推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器、空間反應(yīng)堆、輻射器、推進(jìn)器演示驗(yàn)證”計(jì)劃(DEMOCRITOS)，主要對(duì)各項(xiàng)核電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，這也標(biāo)志著前面兩項(xiàng)空間堆電源項(xiàng)目制定的技術(shù)路線開(kāi)始進(jìn)入實(shí)施階段。

二、空間核動(dòng)力技術(shù)類型

空間核動(dòng)力可以滿足通信衛(wèi)星、空間站、空間運(yùn)輸、空間武器、深空探測(cè)、外星基地等對(duì)電能和推進(jìn)動(dòng)力的需求。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在《核電源及核推進(jìn)在和平探索太空中的作用》一書(shū)中給出了不同空間電源的適用功率范圍及適用任務(wù)周期，如圖1所示。

圖1 各種空間能源類型適應(yīng)的功率和壽命范圍[4]

空間核動(dòng)力技術(shù)路線如圖2所示，不同技術(shù)方案主要取決于動(dòng)力應(yīng)用、核燃料類型、熱電轉(zhuǎn)換、推進(jìn)方式等，具體應(yīng)用需根據(jù)使用要求、使用壽命和技術(shù)可行性進(jìn)行選擇。

圖2 空間核動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)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(zhuǎn)換成電能的電源裝置，該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，已多次在國(guó)外無(wú)人空間探測(cè)任務(wù)中得到應(yīng)用。美國(guó)至今已發(fā)射了27個(gè)共帶有46個(gè)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(cè)器中也使用了4個(gè)钚-238同位素電源。但RTG功率水平較低，單機(jī)功率一般不超過(guò)300W，無(wú)法滿足有更高功率和更大推力需求的空間任務(wù)。另外，由于其使用受到核材料的來(lái)源和價(jià)格問(wèn)題制約，因此難以實(shí)現(xiàn)更廣泛應(yīng)用。

(二)空間堆電源?？臻g堆電源可覆蓋幾kW至數(shù)MW的功率范圍，而且比太陽(yáng)電池有更高的功率質(zhì)量比，能夠適應(yīng)弱光照、極端高低溫、塵暴等惡劣環(huán)境的影響，同時(shí)還具有功率提升快、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊、供電時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，是目前載人星際飛行和及無(wú)人深空探測(cè)領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的電源[5]，指標(biāo)參數(shù)詳見(jiàn)表1。美國(guó)和俄羅斯均將空間堆電源視為空間技術(shù)中優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)，圍繞國(guó)防軍事、空間科學(xué)探索、宇宙資源開(kāi)發(fā)等目標(biāo)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(zhuǎn)換、傳熱散熱等的相關(guān)技術(shù)，建成了多個(gè)空間堆電源地面試驗(yàn)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(shù)參數(shù)比較

(三)核推進(jìn)。核推進(jìn)分為核電推進(jìn)(NEP)與核熱推進(jìn)(NTP)。核電推進(jìn)是空間堆電源與電火箭技術(shù)的結(jié)合。核熱推進(jìn)采用氫作為工質(zhì)產(chǎn)生的比沖可達(dá)1,000s量級(jí)，推力可達(dá)數(shù)噸到數(shù)十噸量級(jí)，效率是常規(guī)化學(xué)火箭的兩倍，指標(biāo)參數(shù)詳見(jiàn)表2。基于高比沖、大推力和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，核熱推進(jìn)是目前最具潛力的空間推進(jìn)動(dòng)力形式，美國(guó)稱其為目前執(zhí)行載人火星飛行任務(wù)的首選動(dòng)力方式。另外，核熱推進(jìn)器的小型化、模塊化也是核熱推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

表2 空間核推進(jìn)技術(shù)參數(shù)比較

三、未來(lái)空間核動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，空間探索成為各航天大國(guó)的發(fā)展重點(diǎn)，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(guó)爭(zhēng)相涉足的領(lǐng)域，空間核動(dòng)力在拓展生存空間、資源開(kāi)發(fā)和國(guó)防軍事等領(lǐng)域都將催生廣泛的戰(zhàn)略應(yīng)用前景。

具備無(wú)閉鎖穿越直流故障能力的直流自耦變壓器//李夢(mèng)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(wù)領(lǐng)域?；?00kW級(jí)以上核動(dòng)力高軌綜合服務(wù)站具有切實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略價(jià)值。未來(lái)的萬(wàn)公里級(jí)軌道高分辨率微波遙感衛(wèi)星功率需求為100kW級(jí)，千公里級(jí)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，空間堆在對(duì)地觀測(cè)、數(shù)字信息傳輸、通信數(shù)據(jù)交換等領(lǐng)域也發(fā)揮積極作用。

(二)空間軌道運(yùn)輸領(lǐng)域。未來(lái)我國(guó)載人航天、高軌衛(wèi)星發(fā)射、地外物質(zhì)采樣返回等空間任務(wù)將實(shí)現(xiàn)常態(tài)化，如何實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量設(shè)施的空間高效運(yùn)輸將成為亟需解決的問(wèn)題。采用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的貨運(yùn)飛船向高軌道運(yùn)輸貨物，通常需要攜帶自身質(zhì)量一半以上的化學(xué)推進(jìn)劑，技術(shù)難度大且運(yùn)載能力有限，而如果采用兆瓦級(jí)的核電推進(jìn)或核熱推進(jìn)貨運(yùn)飛船則可以大大提高任務(wù)的有效載荷比，實(shí)現(xiàn)更加快速靈活的空間軌道轉(zhuǎn)移。

(三)星際探測(cè)領(lǐng)域。對(duì)火星、木星等地外天體進(jìn)行探測(cè)，并在星體表面建造科研設(shè)施是未來(lái)星際探測(cè)的發(fā)展方向。受星體自轉(zhuǎn)、表面惡劣環(huán)境的影響，太陽(yáng)能或?qū)㈦y以適用，空間堆電源環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，功率范圍大，可以提供數(shù)十年的能量可靠供應(yīng)，滿足科研儀器日常運(yùn)行的功率需求，是星表基地建設(shè)和星球資源開(kāi)發(fā)的理想能源解決方案。同時(shí)，對(duì)于更遠(yuǎn)深空的外太陽(yáng)系探測(cè)，空間核動(dòng)力技術(shù)或許是唯一可以提供高載荷和遠(yuǎn)距數(shù)傳能力的推進(jìn)動(dòng)力選擇。

(四)深海開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)深海資源，鞏固海洋領(lǐng)土國(guó)防已經(jīng)成為世界各國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略。深?？臻g站是可以在深海區(qū)域?yàn)榭蒲腥藛T提供長(zhǎng)期居住和日常工作場(chǎng)所的大型水下空間平臺(tái)，而深?？臻g堆具有一次裝料運(yùn)行周期長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是解決海洋資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)能源供應(yīng)的有效途徑。

四、對(duì)我國(guó)空間核動(dòng)力發(fā)展的啟示與建議

空間核動(dòng)力技術(shù)屬于高精尖前沿技術(shù)，相較于太陽(yáng)能等常規(guī)空間動(dòng)力具有顯著性能優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景，我國(guó)應(yīng)統(tǒng)籌優(yōu)勢(shì)力量，加快開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)空間核動(dòng)力技術(shù)的跨越式發(fā)展。建議可從以下幾方面制定和實(shí)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(dòng)力發(fā)展規(guī)劃?？臻g核動(dòng)力技術(shù)作為一項(xiàng)能“改變游戲規(guī)則”的國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)，未來(lái)有著巨大的影響力，其研發(fā)和應(yīng)用必將對(duì)我國(guó)深空深海探索、國(guó)防軍事和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，同時(shí)，由于空間核動(dòng)力技術(shù)難度大、研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，需要國(guó)家統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，并給予政策扶持和資金支持。我國(guó)應(yīng)進(jìn)一步明確空間核動(dòng)力戰(zhàn)略定位，開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)并制定總體發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，加速搶占技術(shù)制高點(diǎn)。

(二)開(kāi)展空間核動(dòng)力總體需求評(píng)估，加快關(guān)鍵技術(shù)突破?？臻g核動(dòng)力技術(shù)涉及多方面的研究難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，在研發(fā)過(guò)程中應(yīng)科學(xué)評(píng)估空間任務(wù)需求，準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)并提出解決方案，加快包括緊湊空間堆設(shè)計(jì)、高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、結(jié)構(gòu)材料選型與工藝制備等技術(shù)突破。從系統(tǒng)工程的角度，開(kāi)展總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加快完成空間堆試驗(yàn)、掌握MW級(jí)空間堆關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展高速、大功率、大推力核熱推進(jìn)裝置方案設(shè)計(jì)，從而逐步實(shí)現(xiàn)新型復(fù)雜航天器系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

(三)提升核燃料技術(shù)研發(fā)水平，重視供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)。核燃料的生產(chǎn)與加工制造是空間核動(dòng)力技術(shù)可行性的核心因素。我國(guó)應(yīng)進(jìn)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(jìn)和核熱推進(jìn)應(yīng)用的不同形式燃料。注重使用標(biāo)準(zhǔn)化的材料、工藝、設(shè)計(jì)或基礎(chǔ)設(shè)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(shù)成熟度并節(jié)約成本。同時(shí)應(yīng)增強(qiáng)鈾資源保障能力，降低未來(lái)核燃料供應(yīng)鏈的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(四)建立認(rèn)證指標(biāo)體系，充分保障空間核動(dòng)力系統(tǒng)安全性和可靠性?？臻g核動(dòng)力裝置的安全性和可靠性是空間核能應(yīng)用的核心和基礎(chǔ)。由于空間核動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行要求和環(huán)境等與地面核設(shè)施存在很大不同，應(yīng)充分考慮空間核能應(yīng)用的特殊性。相關(guān)科研單位應(yīng)建立空間核動(dòng)力認(rèn)證指標(biāo)體系，通過(guò)開(kāi)展全面的安全指標(biāo)與設(shè)備可靠性研究、故障模式分析、極端環(huán)境適應(yīng)性研究等，制定合理的安全評(píng)價(jià)體系和可靠性驗(yàn)證方法，從而保障我國(guó)空間核動(dòng)力裝置的安全性與可靠性。

(五)建立多學(xué)科、多領(lǐng)域的聯(lián)合攻關(guān)長(zhǎng)效機(jī)制?？臻g核動(dòng)力技術(shù)是集核能、航天和信息技術(shù)等學(xué)科為一體的綜合性的前沿科學(xué)工程技術(shù)，涉及多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科和工程應(yīng)用研究。建議由國(guó)家相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)航天與核工業(yè)優(yōu)勢(shì)單位，建立由科學(xué)界、工業(yè)界、社會(huì)和政府組成多學(xué)科、多領(lǐng)域的空間核動(dòng)力技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)共同體，建立長(zhǎng)效協(xié)作機(jī)制，推進(jìn)空間核動(dòng)力技術(shù)研發(fā)。在立足自主研發(fā)的同時(shí)，也應(yīng)積極尋求國(guó)際合作，開(kāi)展技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)交流，促進(jìn)我國(guó)空間核動(dòng)力技術(shù)持續(xù)和快速發(fā)展。