空間核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)成為國際研發(fā)熱點(diǎn)

相對(duì)于化學(xué)推進(jìn)和太陽能電推進(jìn)技術(shù)，空間核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)具有高能量密度、高比沖、長工作時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，可極大加強(qiáng)人類空間探索能力。近年來，隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，空間核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)得到主要核工業(yè)國家的高度重視，成為國際研發(fā)熱點(diǎn)。美國、俄羅斯、英國和法國等國均積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，美國還設(shè)定了2027 年完成核熱推進(jìn)系統(tǒng)空間示范的目標(biāo)。

1 主要在研空間核推進(jìn)技術(shù)

各國正在研究的空間核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)主要分為兩種：核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)使用的動(dòng)力源分為兩種：裂變堆和聚變堆。在裂變堆系統(tǒng)中，裂變堆產(chǎn)生的熱能將工質(zhì)（例如氫）加熱至高溫高壓，從噴嘴高速噴出，進(jìn)而產(chǎn)生推動(dòng)力，具有推力大、比沖較高（800～1000 秒）等優(yōu)勢(shì)。在聚變堆系統(tǒng)中，聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生由帶電粒子組成的等離子體，通過使用旋轉(zhuǎn)磁場，能夠?qū)⑦@些高能粒子轉(zhuǎn)化為推動(dòng)力。這一系統(tǒng)無需任何工質(zhì)，是空間飛行器的理想動(dòng)力選擇，因?yàn)槠淇梢蕴峁缀鯚o限的清潔能源，且結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊。

核電推進(jìn)系統(tǒng)使用的動(dòng)力源也分為兩種：裂變堆和放射性同位素電力系統(tǒng)。裂變堆核電推進(jìn)系統(tǒng)利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能發(fā)電，為電動(dòng)推進(jìn)器供電，將工質(zhì)（例如氙）電離并高速噴出，進(jìn)而產(chǎn)生推動(dòng)力，具有超高比沖（3000～10,000 秒）、推力較大等優(yōu)勢(shì)。放射性同位素電力推進(jìn)系統(tǒng)是一種低功率系統(tǒng)，用于為小型衛(wèi)星提供動(dòng)力，具有壽命長、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比功率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有助于降低小衛(wèi)星質(zhì)量，并提供持久動(dòng)力，保障衛(wèi)星不會(huì)因動(dòng)力問題過早退役。

2 美國

美國政府正在為大力推進(jìn)三種空間核推進(jìn)技術(shù)研發(fā)提供資助：裂變堆核熱推進(jìn)、裂變堆核電推進(jìn)和放射性同位素電力系統(tǒng)推進(jìn)。其中第一種技術(shù)研發(fā)進(jìn)展較快，有望2027年完成空間示范。

美國白宮2020 年12 月發(fā)布《空間核電源與核推進(jìn)國家戰(zhàn)略備忘錄》（SPD-6），指定了重點(diǎn)研發(fā)的三種空間核動(dòng)力技術(shù)：核熱推進(jìn)技術(shù)、為空間飛行器或星球地表裝置供電的裂變堆，以及為空間儀器儀表供電的放射性同位素電力系統(tǒng)。該備忘錄還規(guī)定，在空間核電源和核推進(jìn)系統(tǒng)中，高濃鈾的應(yīng)用僅限于其他核燃料或非核動(dòng)力源無法勝任的場景。這意味著美國空間核動(dòng)力系統(tǒng)將優(yōu)先考慮高豐度低濃鈾燃料。

2.1 核熱推進(jìn)技術(shù)

開展了數(shù)十年研究后，美國國家航空航天局在2009 年的一份文件中指出，對(duì)于火星載人航天飛行，核熱推進(jìn)系統(tǒng)是最佳動(dòng)力選擇。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的推力可達(dá)核電推進(jìn)系統(tǒng)的1萬倍，比沖可達(dá)化學(xué)火箭的2～5倍。

美國防部國防高級(jí)研究計(jì)劃局和航空航天局目前均在支持相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)開展核熱推進(jìn)系統(tǒng)研究，前者關(guān)注地月飛行器，后者關(guān)注深空探索飛行器，且均在近期向相關(guān)企業(yè)授予示范系統(tǒng)研發(fā)和制造合同，將核熱推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)從設(shè)計(jì)推進(jìn)到制造階段。

2.1.1 國防高級(jí)研究計(jì)劃局

國防高級(jí)研究計(jì)劃局2020年啟動(dòng)分三階段的“敏捷地月空間行動(dòng)示范驗(yàn)證火箭”（DRACO）項(xiàng)目，目標(biāo)是完成使用高豐度低濃鈾燃料的核熱推進(jìn)系統(tǒng)空間飛行示范；2021年4月分別與三個(gè)聯(lián)合體簽署為期18 個(gè)月的第一階段合同；2022年5 月發(fā)布第二和第三階段招標(biāo)書。后兩個(gè)階段擬由一個(gè)企業(yè)聯(lián)合體負(fù)責(zé)實(shí)施：第二階段需要完成冷試，即在不裝填燃料情況下測(cè)試核熱推進(jìn)系統(tǒng)；第三階段將開展裝填燃料的核熱推進(jìn)系統(tǒng)組裝、測(cè)試和空間飛行示范。2023 年1 月，國防高級(jí)研究計(jì)劃局和航空航天局宣布簽署協(xié)議，將聯(lián)合推進(jìn)DRACO項(xiàng)目，最快于2027年完成空間飛行測(cè)試：前者主導(dǎo)整個(gè)計(jì)劃，包括推進(jìn)系統(tǒng)集成和采購、認(rèn)證、日程管理和安全，并確保按時(shí)完成推進(jìn)系統(tǒng)與空間飛行器的整體組裝和集成；后者牽頭負(fù)責(zé)核熱推進(jìn)技術(shù)研發(fā)。

2023年7月，國防高級(jí)研究計(jì)劃局和航空航天局聯(lián)合宣布在DARCO項(xiàng)目下向洛克希德·馬丁公司牽頭的聯(lián)合體授予核動(dòng)力空間飛行器研發(fā)和示范合同，總價(jià)值近5 億美元，目標(biāo)是不遲于2027 年完成空間飛行示范。BWX 技術(shù)公司作為聯(lián)合體成員，負(fù)責(zé)反應(yīng)堆最終設(shè)計(jì)、硬件和燃料供應(yīng)、組裝，并以一個(gè)完整子系統(tǒng)的形式交付裝有燃料的反應(yīng)堆。

2.1.2 國家航空航天局

自20 世紀(jì)60 年代以來，航空航天局多次啟動(dòng)空間核熱推進(jìn)系統(tǒng)研究，但受限于技術(shù)水平，未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2016 年航空航天局與能源部簽署跨部門合作備忘錄。此后，航空航天局及其合作伙伴致力于降低核熱推進(jìn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，開展的工作包括燃料元件制造和測(cè)試，推進(jìn)系統(tǒng)性能和可行性分析，開發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的推進(jìn)系統(tǒng)地面測(cè)試方法，證明液態(tài)氫長期儲(chǔ)存可行性。2020 年航空航天局與能源部再次簽署合作備忘錄，拓展雙方之前的合作，并建立關(guān)注空間核電和核推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的跨部門工作組。航空航天局2021年7月為三家反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)商各提供一份12個(gè)月、價(jià)值500萬美元的合同，用于推進(jìn)可支持深空探測(cè)任務(wù)的反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)。

美國超安全核公司2023年10月宣布獲得航空航天局總價(jià)值500萬美元合同，將啟動(dòng)空間核熱推進(jìn)系統(tǒng)燃料制造和測(cè)試工作，并與合作伙伴進(jìn)一步完善總體設(shè)計(jì)。

對(duì)于核熱推進(jìn)系統(tǒng)將使用的燃料，美目前重點(diǎn)研究三元結(jié)構(gòu)各向同性（TRISO）燃料。馬歇爾航天飛行中心2022年已完成TRISO燃料的首次測(cè)試。此次測(cè)試模擬了空間環(huán)境中的極端條件：燃料被反復(fù)加熱到2000℃以上，溫度每分鐘波動(dòng)數(shù)百攝氏度。燃料在測(cè)驗(yàn)中保持了完整性。超安全核公司近期向航空航天局交付一批TRISO燃料顆粒，以供開展測(cè)試。這批顆粒采用氮化鈾內(nèi)核，擁有三個(gè)涂層，從內(nèi)至外分別為碳化鋯、熱解碳和多孔碳緩沖層。這是航空航天局首次接收內(nèi)核為氮化鈾的燃料顆粒。

2.2 核電推進(jìn)技術(shù)

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2022 年首次公布“在軌核電供應(yīng)聯(lián)合新興技術(shù)”（JETSON）項(xiàng)目，目標(biāo)是開展核電推進(jìn)空間飛行器的示范；2023年1 月發(fā)布兩份招標(biāo)通知書，分別針對(duì)“高功率任務(wù)應(yīng)用”和“低功率任務(wù)應(yīng)用”：前者要求研發(fā)電功率為4～6 千瓦或15～20 千瓦的裂變堆系統(tǒng)；后者要求研發(fā)用于為小型衛(wèi)星提供動(dòng)力的放射性同位素電力系統(tǒng)，電功率為5～20 瓦；2023年9 月宣布在該項(xiàng)目下向三家公司各授予一份合同，用于開展核電推進(jìn)空間飛行器概念研究和設(shè)計(jì)。洛克希德·馬丁公司獲得價(jià)值3370 萬美元的“高功率任務(wù)應(yīng)用”合同，將開展空間飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將技術(shù)成熟度提升至可供進(jìn)行初步設(shè)計(jì)審查的程度。西屋政府服務(wù)公司獲得價(jià)值1690 萬美元的“高功率任務(wù)應(yīng)用”合同，將研究從子系統(tǒng)、航天器和架構(gòu)角度如何實(shí)現(xiàn)高功率核裂變系統(tǒng)。Intuitive Machines公司獲得價(jià)值949萬美元的“低功率任務(wù)應(yīng)用”合同，將研發(fā)用于為衛(wèi)星提供動(dòng)力的放射性同位素電力系統(tǒng)。

洛克希德·馬丁、空間動(dòng)力公司和BWX 技術(shù)公司2023 年10 月宣布組建聯(lián)合體，共同在JETSON 項(xiàng)目下研發(fā)利用裂變堆提供動(dòng)力的空間飛行器。在這個(gè)聯(lián)合體中，洛克希德·馬丁將負(fù)責(zé)空間飛行器的整體設(shè)計(jì)，空間動(dòng)力公司負(fù)責(zé)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和組裝，BWX 技術(shù)負(fù)責(zé)核燃料和部件的制造與測(cè)試?？臻g動(dòng)力公司2020年11月獲得洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的授權(quán)，負(fù)責(zé)推進(jìn)空間反應(yīng)堆Kilopower 商業(yè)化應(yīng)用。Kilopower電功率為1～10千瓦，使用熱管以非能動(dòng)方式將熱量從堆芯傳導(dǎo)至斯特林發(fā)電機(jī)，以鈾鉬合金為燃料，能夠在不換料的情況下連續(xù)運(yùn)行10年，其原型堆已于2018年成功完成測(cè)試。

3 俄羅斯

俄羅斯2010年正式啟動(dòng)采用核電推進(jìn)的核動(dòng)力空間拖船研發(fā)項(xiàng)目，由俄羅斯國家航天集團(tuán)公司（簡稱“俄國航集團(tuán)”）和俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司合作實(shí)施，目標(biāo)是打造一種能夠進(jìn)行大型貨物深空運(yùn)輸?shù)目臻g拖船。

俄2019年在莫斯科國際航空航天展覽會(huì)上首次展示了拖船模型，2020 年在“軍隊(duì)-2020”論壇上以3D 動(dòng)畫形式展示了拖船空間運(yùn)行情況。這種拖船將使用兆瓦級(jí)核反應(yīng)堆和離子推進(jìn)器，能夠在不超過4800 小時(shí)（200 天）內(nèi)將重達(dá)10 噸的貨物從距離地球表面900千米的初始軌道運(yùn)送至月球的人造衛(wèi)星軌道，其經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)航天器。俄表示，這么長的運(yùn)輸時(shí)間不存在任何問題。未來的空間運(yùn)輸可以采用人貨分離的方式：人員可以采用安全且快速的方式運(yùn)輸；貨物運(yùn)輸可以采用經(jīng)濟(jì)性較好的方式，只需確保貨物能按時(shí)運(yùn)達(dá)。俄國航集團(tuán)2020年9月表示，按照計(jì)劃，核動(dòng)力拖船的首次飛行將于2030年進(jìn)行。

俄國航集團(tuán)2020年12月與Arsenal公司簽署總價(jià)值42億盧布（5700萬美元）的合同，將開展核動(dòng)力空間拖船初步設(shè)計(jì)；2021年7月在莫斯科國際航空航天展上展示了名為“宙斯”的空間核動(dòng)力拖船模型，包括配備離子推進(jìn)器的初始實(shí)驗(yàn)版本和采用旋轉(zhuǎn)磁場等離子體推進(jìn)器的放大版本。俄烏沖突爆發(fā)后，俄國航集團(tuán)2022年5月表示，空間核動(dòng)力拖船項(xiàng)目面臨資金短缺挑戰(zhàn)。

4 英國

英國航天局正在資助兩家企業(yè)即羅爾斯·羅伊斯公司和脈沖星聚變公司開展空間核推進(jìn)技術(shù)研究。

2021年1月英航天局與羅爾斯·羅伊斯公司簽署合同，內(nèi)容涉及裂變堆推進(jìn)技術(shù)研究。

2022年11月英航天局與脈沖星聚變公司簽署裂變堆核電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)合同。脈沖星聚變公司成立于2011年，致力于開展聚變技術(shù)研究，同時(shí)也開展用于空間飛行器的霍爾推進(jìn)器（一種電動(dòng)推進(jìn)器）和二級(jí)混合火箭推進(jìn)器研究。該公司2021年9月宣布，霍爾推進(jìn)器研究已獲得英國政府資助；2023年8月宣布將在英航天局資助下與美國密歇根大學(xué)合作開展這一推進(jìn)器技術(shù)研究。

脈沖星聚變公司的最終目標(biāo)是研發(fā)能夠同時(shí)提供推動(dòng)力和電力的直接聚變驅(qū)動(dòng)（DFD）空間推進(jìn)系統(tǒng)。該公司2023 年6 月宣布與美國普林斯頓衛(wèi)星系統(tǒng)公司建立合作伙伴關(guān)系，未來將利用人工智能技術(shù)研發(fā)聚變能空間推進(jìn)系統(tǒng)，即利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)研究“普林斯頓反場構(gòu)形”（PFRC-2）裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以更好地了解在電磁加熱和約束條件下的等離子體行為，目標(biāo)是將載人飛行器到達(dá)火星的時(shí)間縮短至30天。

5 法國

法國原子能與替代能源委員會(huì)（簡稱“原委會(huì)”）2023年6月宣布，即將啟動(dòng)兩個(gè)空間核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)可行性研究項(xiàng)目。這兩個(gè)項(xiàng)目均將持續(xù)一年，研究成果將為歐洲航天局制定2035 年建成示范裝置路線圖提供參考。一個(gè)項(xiàng)目名為Alumni，涉及核熱推進(jìn)系統(tǒng)可行性研究，由原委會(huì)領(lǐng)導(dǎo)，阿麗亞娜集團(tuán)和法馬通公司參與。另一個(gè)項(xiàng)目名為RocketRoll，涉及核電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性研究，原委會(huì)是負(fù)責(zé)開展研究的聯(lián)合體成員。

此外，法馬通2023 年10 月宣布組建專門負(fù)責(zé)空間核動(dòng)力業(yè)務(wù)的子公司——法馬通空間公司，將把過去60 多年積累的核工業(yè)專業(yè)知識(shí)用于服務(wù)航天工業(yè)。

6 結(jié)語

空間事業(yè)是關(guān)乎國家安全和發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，已成為大國博弈的新戰(zhàn)場。推進(jìn)技術(shù)是人類探索空間的關(guān)鍵技術(shù)之一。核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)以其高能量密度、高比功率、大比沖、長工作時(shí)間等特點(diǎn)，得到主要國家高度重視，大力推動(dòng)相關(guān)研發(fā)。

目前在研的空間核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)主要有兩種：核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)。核熱推進(jìn)技術(shù)發(fā)展速度較快，有望在2027年率先完成空間飛行示范。在研的動(dòng)力源包括放射性同位素電力系統(tǒng)、裂變堆和聚變堆。前一種主要用于滿足低功率需求，后兩種可用于滿足高功率需求。裂變堆有望在近期成為空間飛行器的高功率動(dòng)力選擇。美俄等國已在空間裂變堆領(lǐng)域開展數(shù)十年研究，并曾發(fā)射配有裂變堆的空間飛行器。聚變堆是一項(xiàng)新興技術(shù)，距離商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其作為空間飛行器動(dòng)力源的應(yīng)用時(shí)間可能還比較長遠(yuǎn)。