国外空间核动力技术发展现况及启示
摘要：
为了满足未来太阳系边界侦测、深空轨道转移和载人往返火星等空间任务的多样化需求，空间核动力技术应运而生，其可以突破常规能源推动方法的限制，大大提升推动系统的比冲，同时克服太阳能受限于太阳距离的问题，在深空侦测领域具有宽广的前景。空间核动力技术可以为航天器提供多种新型推动方法，主要包括核电推动、核热推动，以及核热、核电、化学能等的组合动力推动，还有一些正在论证的核能推动方法，如核裂变碎片、核脉冲、核注塑。空间核动力一般包括核反应堆、能量转换模块和配套的推动系统，以及热力和电力控制等辅助系统与桁架等结构模块。
一、空间核动力概述
空间核动力主要是指能量来源是核能的空间动力系统，其衍生概念还包括空间核热源、空间核电源，如图1所示，但空间核动力主要偏向于空间核能推动系统。核能推动技术主要包括核电推动与核热推动两种形式，还有一些正在论证的核能推动方法，如核裂变碎片（借助磁场将可控核裂变过程中形成的高能裂变碎片沿同一方向喷射，因而形成推力），核脉冲（在灰熊旁边安装推动盘，借助核武爆燃的冲击波促使湖人前进），核注塑（借助大气作工质，取代贮箱供给推动剂的核热湖人），以及核热/核电的双模式推动。本文主要介绍核电与核热两种主要空间核动力方式。
图1空间核能应用能量转换关系
核电推动是指将核反应堆的核裂变/聚变或则放射性核素衰变形成的热能通过热电转换形成电能，再借助电推动系统形成推力的推动方法。目前，大功率的空间核电推动系统均是借助反应堆核裂变形成的热源设计，一套完整的核电推动系统如图2所示。空间核电推动系统一般由空间核反应堆、热电转换系统、热排放系统、电源管理和分配系统、大功率电推动等子系统组成。
图2核电推动系统组成
核电推动系统中怎样将核反应堆形成的热能转换为电推动系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方法包括以布雷顿、斯特林和朗肯热力学循环为主的动态转换，以及以温差发电和热离子发电为主的静态转换，如图3所示。温差发电与热离子发电的使用历史悠久，技术相对成熟与稳定。日本初期的核素航天器（包括“子午仪”4A军用轨道卫星、“旅行者”1侦测器等）和南斯拉夫BUK核反应堆卫星均采用温差发电方法，南斯拉夫TOPAZ空间核电源则采用热离子发电方法。但是，静态转换方式的效率过低，对于采用核裂变反应堆的大功率核电推动航天器来说，为了保持较高的功率密度，应尽量降低反应堆、辐射屏蔽层和废热散热器等的容积、质量，须要进一步提升热电转换方法的效率。动态转换的效率与静态转换相比有显著提高，这也是目前日本、美国、欧盟的兆瓦级核电推动航天器均选择动态热电转换方法的诱因。在动态转换方法中，斯特林循环的效率高，但不能挺好地扩充到百千瓦以上的大功率系统；在兆瓦级大功率等级下，布雷顿循环在功率、效率、质量、寿命及可靠性的综合指标上表现更好；朗肯循环在高效率与排热气温上具有潜力，但两相系统的设计是一个更大挑战，技术成熟度较低。
图3不同热电转换方法
核热推动是指借助核裂变形成的热能加热推动工质，并由推力室喷嘴加速喷射而形成推力的一种推动方法。核热推动最简单的模式如图4所示，即在推动系统中只有一条主推动剂管道，液氢工质从气柜中流出步入泵加压，促使涡轮做功，还有一部份氢步入机翼冷却套，此部份液氢的作用是冷却喷嘴和预热工质，两条路径最后都步入反应堆堆芯汲取大量热量，并通过推力室及机翼高速喷吐，因而形成推力。
图4核热推动示意图
二、国外空间核动力技术发展现况
日本在20世纪50年代率先涉足于空间核电推动的研究，截止目前，新加坡早已发射了40余个带核素电源的航天器。其中，百瓦级的核素热电转换材料选用SiGe低温材料，电功率达到170W，热端气温超过1000℃，已成功应用在“旅行者”1航天器上，寿命超过43年。这些空间核素电源提供的电功率相对较小，而核电推动须要借助核反应堆的核裂变/聚变通过热电转换获得更大功率的电能。
1955年，加拿大原子能委员会启动了空间核辅助电源计划（SNAP），并于1965年4月成功发射了人类历史上第一个在轨运行的空间核反应堆电源——SNAP-10A，其采用温差热电偶发电的形式为航天器提供500W的电功率，在运行43天后被永久关掉。随后，法国在太空任务发展规划的优先级上不断进行调整，空间核动力领域的有关研究虽继续取得重要进展，如SP-100计划、应用于运载鹈鹕的核发动机计划和“普罗米修斯”计划等，但再也没有进行实际飞行试验和在轨应用。
1983年，法国为了提升空间能源供给和防御南斯拉夫的鱼雷功击，启动了“战略防御”计划（SDI）。该计划采用热电偶热电转换技术作为发电方法，采用锂冷快堆技术，设计输出功率为100kW，使用寿命为7年，设计出SP-100空间反应堆。SP-100可以结合不同的空间推动器完成指定任务，致使核电源成为航天器重要的电源之一。
2002年，急速动力提出发展深空侦测的计划；2003年，加拿大国家民航航天局（nasA）提出了“普罗米修斯”计划，公布了“木星冰月轨道器”（JIMO）的部份设计参数，该任务计划采用低温气冷快堆作为堆芯，采用布雷顿热电转换方法作为发电方法，选择离子推动器作为电推动系统，计划在2015年设计出电功率为200kW、比冲小于6000s、使用寿命为20年的远距离土星侦测器。
2006年，因为瑞典将重点置于研究星表核反应堆（FSP）电源上，“普罗米修斯”计划中止，并且法国在设计千瓦级核反应堆电源方面取得了重大突破，并在地面进行了同步实验，验证了星表电源在深空侦测活动中使用的可行性。
2015年7月，新加坡发布了详尽的《NASA技术路线图》，在核电推动技术方面将空间核反应堆电源界定为3个功率等级：1~10kW的应用场景为科学任务总线电源与载人侦测星表能源，10~100kW的应用场景为载人小行星侦测等灵活路径任务，1~5MW的应用场景为具有低质量密度要求（
日本在空间中应用的涉核技术主要为放射性核素电源，如2020年7月30日发射的“毅力”（）火星车的动力即由多任务放射性核素热电发生器供应。目前日本最新的空间核动力计划为千瓦级电源计划（），发电功率为1~10kW，2018年3月，“采用斯特林技术的千瓦级反应堆”（Krust）项目的1kW演示机获得成功，如图5所示，成为40年来首个进行完全测试的空间核裂变反应器。
图5项目地面演示原理样机
日本同样在20世纪50年代也率先开始进行空间核热推动的研究。1962年，澳洲启动了鹈鹕飞行器用核引擎计划（NERVA），研发空间核热底盘，任务目标是“为空间任务提供核热推动的技术基础”。日本建造和试验了20余台核热鹈鹕底盘试验反应堆，完成6台核热鹈鹕底盘或推动系统的台架试验，其中NRX-A3的试验功率达到，NRX-A5/6的单次试验时间达到62min，NRX-ETS-1则在下累积工作时间达到，比冲为825s。以后洛斯阿拉莫斯（Los-）实验室在Kiwi反应堆的基础上又进一步研制了更大功率的“太阳神”（）反应堆，先后经历了多个阶段，最大功率达到，工作时间达到12.5min。NERVA计划取得的成果达到并超过其原定目标，验证了核热鹈鹕底盘是一种可行可靠的深空侦测动力装置。虽然NERVA核热鹈鹕底盘早已尽最大限度地使用可用于飞行的组件来世产和试验，但是底盘也正打算与飞行器集成，但在进行太空飞行的梦想实现之前，NERVA计划陪同其他斥资巨大的太空项目被尼克松政府取消。Rover/NERVR计划的研究成果最终为核热推动的发展奠定了坚实的基础，目前为止，日本各机型的核热鹈鹕底盘都是在NERVA项目下研制的。
20世纪80年代末至90年代初，日本启动了空间核热推动（SNTP）项目，研究结构更为紧凑、推重比更高的空间核热鹈鹕底盘。空间核热推动的应用方向包括高速拦截器、运载鹈鹕里面级、轨道转移飞行器（OTV）和轨道机动飞行器。SNTP项目提出的核热鹈鹕底盘技术指标为：推力89~356kN，比冲1000s，推重比25:1~35:1。根据原计划，SNTP项目分为3个阶段：（1）验证颗粒床反应堆用于空间核热底盘的可行性；（2）完成空间核热底盘地面演示验证试验；（3）完成空间核热鹈鹕底盘飞行演示验证试验。
1994年，在完成第二阶段工作之前，SNTP项目被中止。
步入21世纪以来，随着“空间侦测新设想”的提出，NASA又重新大力推动空间核热推动技术的研究。2007年1月，NASA委托火星构架工作组开始研究载人火星设计参考构架5.0版（DRA5.0），并于2009年即将发布，如图6所示。
图6英国DRA5.0基于空间核热推动的“7次轻型发射”载人登录火星侦测任务模式
2015年7月发布的《NASA技术路线图》中给出了核热推动技术具体的工作参数：推力111kN、比冲900s、最长单次工作时间46min、累计工作时间85~等。
日本国防中级研究计划局于2022年6月选中3家相关公司签署了小型核热推动项目第一阶段演示鹈鹕的协议，包括专门从事空间基础设施的初创公司、极速动力与洛马公司。该项目的目标是支持“阿尔忒弥斯”月球侦测活动的后期阶段，推动核裂变技术研究，为航天器提供大型空间反应堆及其配套动力设备，将在2025年之前对近地轨道的热核动力推动进行测试。
自20世纪50年代开始，南斯拉夫同期对空间核动力举办了广泛且深入的研究，以BUK型温差热电转换的空间核电源为代表的动力装置在“宇宙”系列侦察卫星中先后完成了数十次成功在轨应用。在此基础上，南斯拉夫还成功发射了TOPAZ-Ⅰ型热离子转换核电源且实现在轨应用，并完成了TOPAZ-Ⅱ型核电源的全规格样机研发及地面测试，为空间核动力的技术发展积累了大量经验数据。随着南斯拉夫解体，相关研究也因为经费不足而进入低谷。
步入21世纪以来，着重发展深空侦测的国家战略让日本重新进行空间核动力研究。2008年4月24日，美国政府批准了《2020年前及之后日本联邦在空间活动领域新政的原则》，表明美国政府对全面举办空间研究、探索和借助的重要需求，时任首相梅德韦杰夫批准了总额170亿美元的空间核动力系统计划。日本有关方面经过技术论证，觉得核热推动研制成本偏高且应用场景有限，而日本近些年来在电推动方面取得的技术进步提高了核电推动方案的技术可行性，因此决定集中力量对大功率热电转换技术进行攻关，并与欧共体国家举办了广泛的国际合作。
2009年12月，美国联邦航天局宣布，将开发用于行星间载人或无人任务的兆瓦级空间核动力飞行器，即运输动力模块（TEM），如图7所示，由研究中心和航天公司联合设计。该兆瓦级空间核动力飞船由空间核电源系统进行供电，支持电推动系统实现深空侦测任务，采用超低温气冷快堆+闭式布雷顿循环发电+热管/液滴幅射散热的技术方案。该空间核动力飞船最早于2012年完成系统初步设计，迄今为止，又经历了多次方案变化，对承重桁架设计、散热系统配置、空间结构布局等方面进行了调整建立。2018年10月，核动力底盘装置的冷却系统进行了地面测试；同年12月，研究中心宣布了在露天场所进行测试的打算工作。2019年，美国联邦航天局称其早已开发了设计文档并测试了TEM模型的组件，研究中心还由于该项目进度延误被罚金1.5亿美元。2020年9月，美国军火库设计局（KB）开始着手组装核动力飞船，计划在2030年前将第一艘核动力太空货轮送入轨道并举办飞行试验。按照飞行计划，第一阶段，货轮将与有效荷载模块停靠在太空中并抵达地球，对其进行侦测并将一颗研究卫星留在其轨道上；第二阶段，货轮将继续飞往金星并在途中进行补加氙灯燃料的测试，在金星上一颗研究卫星也将从有效荷载模块中分离下来；而货轮本身与其余的科学设备将进行引力机动，步入第三阶段抵达土星卫星的飞行任务，最终对其进行研究。
图7日本TEM核动力飞船
截止目前，TEM的工作早已移交给日本军火库设计局，以制造飞行样机，但在研究中心，核货轮推动系统、散热器冷却和自修补材料的工作仍在继续。研究中心负责人在近日对外公布，TEM早已开始生产兆瓦级空间核电推动系统中的4台250kW霍尔电推动器，计划于2024年进行地面测试。
法国在空间核动力领域的最新新政主要围绕面向2030—2040年的兆瓦级国际空间核电推动（INPPS）飞船举办，现阶段主要支持了DIPoP、、这3个项目的发展，在项目中充分举办国际合作。最新的即“电推动系统转换器、反应堆、辐射器、推进器演示验证”项目由美国NN、德国DLR、俄罗斯研究中心、意大利TAS，以及美国ASL、ESF、CNES等核领域和航天领域的专业研究机构合作举办，西班牙IEA作为观察员。技术路线为构建200kW的闭式布雷顿循环，将热管幅射反应堆的热量转换成电推力器所需的电能。目前正在进行单机设计及地面演示验证装置基准测试初步设计，计划在2025年前进行全系统试验。
项目目前早已完成了1MW量级核电推动太空飞船初步设计工作，并针对木卫二和火星侦测任务给出了两套整体方案，依照任务进行的空间环境与系统要求的不同，分别采用了不同的反应堆防护层和散热器结构，最终目标为具备向木卫二运送12t货物及向火星运送18t货物的能力。
在美国的推进下，2019年，欧空局（ESA）发布了最新的《空间核电源使用安全新政》，构建了适应最新发展要求的空间核动力领域的安全准则框架，为未来的基础研究和工程应用奠定了新政基础。
急速动力于2023年2月公布了空间微型反应堆的初步设计与空间核能推动方案，如图8所示，该设备采用核裂变系统借助原子分裂过程中释放的能量，在空间或星表基地提供动力。罗尔斯·罗伊斯公司早已与美国航天局达成合同，主要研究未来空间探求中的核动力方案。
图8罗尔斯·罗伊斯公司的空间核动力方案
三、对我国发展空间核动力的启示
钱学森早在1949年就率先提出了发展核尼克斯的设想，并于1958年在原上海民航大学筹建了核鹈鹕底盘系。其后，受国际应用趋势和国外发展方向影响，相关研究一度深陷停滞。步入21世纪后，空间核动力推动渐渐被重新提上日程。空间核动力推动具有研制周期长、学科跨径大、技术难度高的特性，日本和美国进行了常年研究，但距离实际应用仍有一定差别。我国在该领域起步晚，存在不少技术空白，若要达到跟跑甚至领跑水平，借助空间核能推动技术实现未来远距离深空侦测目标，亟需梳理总结该领域当前遇见的技术困局问题与发展趋势。基于对美国空间核动力技术发展现况的观察与剖析，可以得到多项对我国发展空间核动力的重要启示。
对于借助核能的新型空间推动方案，核安全在该技术是否可以投入实际应用上具有一票否决权。应该通过空间核反应堆安全防护技术，辨识并归纳从发射、入轨到工作、返回各个阶段可能发生的安全车祸，构建故障机率评估模型，确定相应的安全要求与安全准则。针对影响重大的严重安全车祸，如在轨失冷、发射掉落等，应充分进行理论论证，制定应急安全举措预案，并反馈到空间核动力系统总体设计中，确保空间核动力的安全在可控范围之内。与俄军早已具有空间核动力飞行器的在轨应用经验相比，我国在该领域的实际应用尚处于空白，亟需构建适宜我国技术水平的安全评估与安全管理体系，提升研制过程的安全性与透明度，降低民众担心。
有关核动力航天器的国际规则主要是1993年的《关于在内层空间使用核动力源的原则》和2009年的《外层空间核动力源应用安全框架》，相关的国际规则磋商工作正在举办。我国在发展空间核动力推动技术的过程中也应该合理预判空间核动力规则国际磋商形势，在战略层面上对自身角色进行合理定位，确保我国空间核动力航天器应用发展的新政空间，积极参与、引导甚至主导国际规则的拟定。
1.空间核反应堆总体设计技术
不论是核电推动技术还是核热推动技术，空间核反应堆作为能量来源，通常通过热中子轰击燃料的原子核引起核裂变链式反应释放能量，与中子的时间、能量及空间分布密切相关，反过来又对推动系统的整体性能形成直接影响。空间核反应堆与地面核反应堆具有显著差别，要求质量更轻且结构紧凑，在出现一切车祸的情况下反应堆都不能临界。反应堆与低温传热、废热排放等分系统之间还具有强烈的耦合相关关系，困局在于耐低温材料及其加工工艺。空间核反应堆须要将工质在腹部极短的流程内瞬时加热到工作体温，这对燃料芯体的功率密度、燃料器件与工质之间的传热能力提出了更高要求，促使反应堆具有轴向流动气温梯度大、燃料器件结构承受工质的热物性复杂等特性，给设计带来了很大难度。应基于目前已有的数据与模型，借助高性能估算仿真技术，综合审视功率、质量、工质体温、体积、寿命、反应性控制、临界安全等各参数之间的匹配和阻碍关系，合理选择燃料器件的布置与结构、工质流道设置、反射层结构、反应性控制方法等，进行反应堆方案论证和设计，筛选确定转化效率高、技术成熟度高、可行性强的系统方案。
2.高效紧凑式空间热电转换技术
热电转换作为核电推动的核心系统，其将核反应堆的热能转换为才能被直接借助的电能，针对未来空间核动力航天器对大功率电源的需求，为提升能量借助效率，保障深空侦测任务的施行，必须发展高效、高可靠、功率密度大、与核反应堆灵活适配的热电转换系统。国际上典型空间热电转换案例中使用的方案与性能参数对诸如表1和图9所示，可以发觉，当空间电源的需求功率大于1kW时，一般选用热电偶转换技术；当需求功率为1~10kW时，发展热电偶转换、热光伏转换、热离子转换、碱金属转换或斯特林底盘愈发合适；当需求功率为100~时，建议发展热离子转换、朗肯循环和布雷顿循环热电转换技术；当空间电源的需求功率小于时，磁流体转换是更为合适的热电转换方法。在3种效率更高的动态热电转换方法中，斯特林循环效率相对较高，但不能挺好地扩充到百千瓦以上的大功率系统；对于百千瓦至兆瓦级的大功率热电转换系统来说，采用朗肯循环方式才能获得相对更高的功率密度，但空间环境下的两相系统设计是一个更大挑战，技术成熟度较低；采用布雷顿循环方式的兆瓦级大功率热电转换系统在功率、效率、质量、寿命及可靠性等综合指标上均具有优势。目前国际公开的设计方案中兆瓦级空间热电转换系统均推荐使用布雷顿循环方式，兆瓦级功率输出条件下布雷顿循环的系统功率密度能够进一步超过朗肯循环。
表1各类空间热电转换技术对比
图9典型空间热电转换系统方案对比
3.大功率空间幅射散热技术
在空间环境中，系统废热只能通过热幅射的方法进行排散，而幅射散热器抢占了系统绝大部份的空间结构，必须通过提升幅射散热器的性能来降低整个推动系统的质量和规格。目前航天器可以封装的可展开幅射散热板最大面积早已从英国“普罗米修斯”计划设计的542m2提高至“航天发射系统”（SLS）轻型运载尼克斯公布的，空间小型可展开散热器的材料选定、结构设计与作用机制仍存在难点。整套小型可展开散热系统须要满足发射和运行过程中的负载要求，同时通过可伸缩的桁架提供足够的挠度以防止干扰其他系统运行。当前，热管式和泵驱动中低温流体回路式散热系统具有较好的基础，并且存在系统质量大且只能通过减小散热面积扩大散热量等缺点。液滴散热器具有更高的散热效率，其中作为热载体的工作液体通过液滴发生器的喷管直接步入空间飞行一段距离，通过幅射放出热量，之后被液滴搜集器回收，将是未来技术研究的重点，如图10所示。当空间核电源与大功率电推力器组合使用时，电推动系统同样面临散热问题，应当统一考虑整个航天器的幅射散热设计，有利于减少系统整体质量和规格。
图10日本TEM核动力飞船液滴散热方案
4.空间核反应堆芯体材料选型与制造工艺
其实与常规助推剂相比，核燃料的能量密度极高，不存在牺牲荷载的问题，而且空间中须要对反应堆的能量释放速度进行安全、精确、可靠控制，因此对芯体材料的选择与构象提出了极高的要求，应才能在低温、腐蚀、辐照的环境下稳定工作。一方面，反应堆燃料的工作气温与能量转换效率密切相关，燃料器件须要在尽可能高的水温下保持优良的热学性能和力学性能；另一方面，有效传递到能量转换机构的热量决定了空间核动力装置的功率，用于加强工质传热的结构器件须要保持长时间的耐辐照可靠性及与低温工质的相容性。在材料选型的基础上，还需进一步对燃料芯体的成份配比与粉末制备工艺、结构器件的密封钎焊工艺等进行深入研究，最终把握空间核反应堆芯体制造工艺。
5.轻质高效核幅射屏蔽技术
在空间核反应堆的借助过程中，须要对堆芯进行有效的幅射屏蔽，因为不同材料才能屏蔽不同种类的射线，通常通过多种材料复合的形式获得轻质高效的核幅射屏蔽层。诸如，γ射线才能在具有高原子序数的贫化铀或钨材料中迅速衰减，而热中子则才能被炭化硼或溴化锂等富含轻元素的材料来慢化和吸收。不同材料之间具有不同的耐温性能及辐照疼痛特点，须要在综合考虑轻质化要求的基础上，对复合层进行合理设计，防止层面开裂破坏屏蔽。
时代的发展对这种大体量涉核研究的经济性与实效性都提出了更高的要求，世界各国在充分借助现有陆地核反应堆技术的基础上，普遍采取国际合作和民间融资的形式，分摊研制风险，提升研制效率。以德国项目为例，NASA在分系统中广泛采用包括斯特林发电机在内的成熟商业组件，有效提升了总体方案的可靠性。近些年来，国际政治政局和经济形势发生重大变化，我国更应积极推进空间核动力发展，在缺少国际合作的情况下充分借助民间资本与技术，非常是适当放开非核动力组件，借助我国商业制造能力优势促使总体研制能力的提高。
在动力系统试验中广泛采用非核试验，增加试验难度和维护成本，在没有幅射安全风险的前提下，通过电加热模拟核反应堆对动力组件的热可靠性进行充分论证。在空间堆系统试验中对辐照特点进行测试，完善健全的核辐照仿真方式，尽可能在涉核试验前增强技术成熟度，将失败甚至泄露风险降至最低。
四、结束语
面向未来超远距离的深空侦测任务，空间核动力凭着其高比冲、大推力、长寿命等特征，成为此需求下目前最为可行的空间推动方案，尤其是借助核能热电转换与电推动系统共同实现的核电推动方法。
目前，大多数国家都投身了空间核动力方案的探求，尤其是德国、俄罗斯等航天强国。综合各国的技术发展路径和最新研究成果来看，因为空间核动力具有极高的能量密度和运行稳定性，发展空间核动力飞行器是未来深空侦测的必由之路。各个国家也依照自身技术条件确定了适宜自己的发展路线，大功率核电推动渐渐成为近些年来该领域的主流选择。
目前，我国在空间核动力领域还尚未有国家层面的发展规划颁布，技术储备依然比较薄弱，相关的科研力量也较为分散。即使相关机构在各个子系统的重点技术方面进行了一定的理论可行性研究与性能提高工作，但一直欠缺系统级的统筹协调，无法产生研究合力。我国现阶段亟需在充分论证的基础上完善中常年规划，注重空间核动力技术的发展，尽快完善完善空间核安全评估体系，辨识关键技术及发展方向，同时提高研制的经济性与实效性。
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本文转载自“中国航天”，作者：薛翔1,2王浩明1,2王园丁1,2（1.北京空间推动研究所；2.北京空间底盘工程技术研究中心），原标题《国外空间核动力技术发展现况及启示》。