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国外空间核动力技术发展现状及启示摘要：为了满足未来太阳系边界探测、深空轨道转移和载人往返火星等空间任务的多元化需求，空间核动力技术应运而生，其可以突破常规能源推进方式的限制，大大提高推进系统的比冲，同时克服太阳能受限于太阳距离的问题，在深空探测领域具有广阔的前景。空间核动力技术可以为航天器提供多种新型推进方式，主要包括核电推进、核热推进，以及核热、核电、化学能等的组合动力推进，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片、核脉冲、核冲压。空间核动力通常包括核反应堆、能量转换模块和配套的推进系统，以及热力和电力控制等辅助系统与桁架等结构模块。关键词：空间核动力；核动力航天器；核电推进：核热推进一、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进系统。核能推进技术主要包括核电推进与核热推进两种方式，还有些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片（利用磁场将可控核裂变过程中产生的高能裂变碎片沿同一方向喷射，从而产生推力），核脉冲（在火箭后面安装推进盘，利用核弹爆炸的冲击波推动火箭前进），核冲压（利用大气作工质，代替贮箱供给推进剂的核热火箭），以及核热/核电的双模式推进。本文主要介绍核电与核热两种主要空间核动力形式。图1空间核能应用能量转换关系核电推进是指将核反应堆的核裂变/聚变或者放射性同位素衰变产生的热能通过热电转换产生电能，再利用电推进系统产生推力的推进方式。目前，大功率的空间核电推进系统均是依靠反应堆核裂变产生的热源设计，一套完整的核电推进系统如图2所示。空间核电推进系统通常由空间核反应堆、热电转换系统、热排放系统、电源管理和分配系统、大功率电推进等子系统组成。图2核电推进系统组成核电推进系统中如何将核反应堆产生的热能传换为电推进系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方式包括以布雷顿、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。美国早期的同位素航天器（包括“子午仪”4/军用轨道卫星、“旅行者”1探测器等）和苏联BUK核反应堆卫星均采用温差发电方式，苏联TOPAZ空间核电源则采用热离子发电方式。然而，静态转换形式的效率偏低，对于采用核裂变反应堆的大功率核电推进航天器来说，为了保持较高的功率密度，应尽量减少反应堆、辐射屏蔽层和废热散热器等的体积、质量，需要进一步提高热电转换方式的效率。动态转换的效率与静态转换相比有.明显提升，这也是目前俄罗斯、美国、欧盟的兆瓦级核电推进航天器均选择动态热电转换方式的原因。在动态转换方式中，斯特林循环的效率高，但不能很好地扩展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温度上具有潜力，但两相系统的设计是一个更大挑战，技术成熟度较低。布雷顿循环斯特林循环朗肯循环温差发电热需子发电图3不同热电转换方式核热推进是指利用核裂变产生的热能加热推进工质，并由推力室喷管加速喷射而产生推力的一种推进方式。核热推进最简单的模式如图4所示，即在推进系统中只有一条主推进剂管路，液氢工质从储罐中流出进入泵加压，推动涡轮做功，还有一部分氢进入喷管冷却套,此部分液氢的作用是冷却喷管和预热工质，两条路径最后都进入反应堆堆芯吸取大量热量，并通过推力室及喷管高速喷出，从而产生推力。储那图4核热推进示意图二、国外空间核动力技术发展现状（一）美国荚国在20世纪50年代率先投身于空间核电推进的研究，截至目前，美国已经发射了40余个带同位素电源的航天器。其中，百瓦级的同位素热电转换材料选用SiGe高温材料，电功率达到170%热端温度超过1000-C,已成功应用在“旅行者”1航天器上，寿命超过43年。这种空间同位素电源提供的电功率相对较小，而核电推进需要利用核反应堆的核裂变/聚变通过热电转换获得更大功率的电能。1955年,美国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一一SNAP-IOA,其采用温差热电偶发电的方式为航天器提供500W的电功率，在运行43天后被永久关闭。此后，美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、应用于运载火箭的核发动机计划和“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，美国为了提高空间能源供给和防御苏联的导弹攻击，启动了“战略防御"计划(SDI)o该计划采用热电偶热电转换技术作为发电方式，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SPToO空间反应堆。SP-100可以结合不同的空间推进器完成指定任务，使得核电源成为航天器重要的电源之一。2002年，美国相关行政部门提出发展深空探测的计划；2003年，美国国家航空航天局(NASA)提出了“普罗米修斯”计划，公布了“木星冰月轨道器"(J1.Mo)的部分设计参数，该任务计划采用高温气冷快堆作为堆芯，采用布雷顿热电转换方式作为发电方式，选择离子推进器作为电推进系统，计划在2015年设计出电功率为20OkM比冲大于6000s、使用寿命为20年的远距离木星探测器。2006年，由于美国将重点放在研究星表核反应堆(FSP)电源上，“普罗米修斯”计划终止，但是美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探测活动中使用的可行性。2015年7月，美国发布了详细的NASA技术路线图，在核电推进技术方面将空间核反应堆电源划分为3个功率等级：I1.OkW的应用场景为科学任务总线电源与载人探测星表能源，10'100kW的应用场景为载人小行星探测等灵活路径任务，5MW的应用场景为具有低质量密度要求(<5kgkW)的载人火星探测任务。NS在2020年发布的NASA技术分类中分别在推进系统及空间电源与能源储存分类下强调了空间核动力推进及空间核反应堆电源。美国在空间中应用的涉核技术主要为放射性同位素电源，如2020年7月30日发射的"毅力”(Perseverance)火星车的动力即由多任务放射性同位素热电发生器供应。目前美国最新的空间核动力计划为千瓦级电源计划(KiIOPOWer),发电功率为10kW,2018年3月,“采用斯特林技术的瓦级反应堆”(KRUST)项目的IkW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。斯特林热模拟器斯特林发动机/与平衡结构,氧化锂屏蔽层钠热管,高浓缩铀堆芯一氧化镀反射层碳化硼控制棒图5Ki1.oPOer项目地面演示原理样机美国同样在20世纪50年代也率先开始进行空间核热推进的研究。1962年,美国启动了火箭飞行器用核引擎计划(NERVA)，研制空间核热发动机，任务目标是“为空间任务提供核热推进的技术基础”。美国建造和试验r20余台核热火筋发动机试验反应堆，完成6台核热火箭发动机或推进系统的台架试验，其中NRX-3的试验功率达到1165MW,NRX-A56的单次试验时间达到62min,NRX-ETS-I则在I1.OOMW卜累积工作时间达到228min,比冲为825s0之后洛斯阿拉莫斯（1.os-A1.amos）实验室在KiWi反应堆的基础上乂进一步研发了更大功率的“太阳神”（PHoEBUS）反应堆，先后经历了多个阶段，最大功率达到4082MW,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，验证了核热火箭发动机是一种可行可能的深空探测动力装置。尽管NERVA核热火箭发动机已经尽最大限度地使用可用于飞行的组件来生产和试验，并且发动机也正准备与飞行器集成,但在进行太空W行的梦想实现之前，ERVA计划随同其他耗资H大的太空项目被尼克松政府取消。RoverZNERVR计划的研究成果最终为核热推进的发展奠定了坚实的基础，目前为止，美国各型号的核热火箭发动机都是在NERVA项目下研发的。20世纪80年代末至90年代初,美国启动了空间核热推进（SNTP）项目，研究结构更为紧凑、推重比更高的空间核热火箭发动机。空间核热推进的应用方向包括高速拦截器、运载火箭上面级、轨道转移飞行器（OTV）和轨道机动K行器。SNTP项目提出的核热火箭发动机技术指标为：推力89'356kN,比冲I（X）Os,推重比25:135:1。按照原计划，SNTP项目分为3个阶段：（1）验证颗粒床反应堆用于空间核热发动机的可行性：（2）完成空间核热发动机地面演示验证试验：（3）完成空间核热火箭发动机飞行演示验证试验。1994年，在完成第二阶段工作之前，SNTP项目被终止。进入21世纪以来，随着“空间探测新构想”的提出，NASA又重新大力推进空间核热推进技术的研究。2007年1月，NASA委托火星架构工作组开始研究载人火星设计参考架构5.O版（DRA5.O）,并于2009年正式发布，如图6所示。图6美国DRA5.0基于空间核热推进的“7次重型发射”载人登陆火星探测任务模式2015年7月发布的NASA技术路线图中给出了核热推进技术具体的工作参数：推力IukN、比冲900s、最长单次工作时间46min.累计工作时间85'102min等。美国国防高级研究计划局于2022年6月选中3家相关公司签订了大型核热推进项目第一阶段演示火箭的合同，包括专门从事空间基础设施的初创公司IntUitiVeMachines,西屋电气公司与洛马公司。该项目的目标是支持“阿尔忒弥斯”月球探测活动的后期阶段，推进核裂变技术研窕，为航天器提供小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进进行测试。（二）俄罗斯自20世纪50年代开始，苏联同期对空间核动力开展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，苏联还成功发射了TOPZ-I型热离子转换核电源且实现在轨应用，并完成了TOPAZ-II型核电源的全尺寸样机研制及地面测试，为空间核动力的技术发展积累了大量经验数据。随着苏联解体，相关研究也由于经费不足而步入低潮。进入21世纪以来，着力发展深空探测的国家战略让俄罗斯重新进行空间核动力研究。2008年4月24口，俄罗斯政府批准了2020年前及以后俄岁斯联邦在空间活动领域政策的原则，表明俄罗斯政府对全面开展空间研究、探索和利用的重要需求，时任总统梅德韦杰夫批准了总值170亿卢布的空间核动力系统计戈上俄罗斯有关方面经过技术论证，认为核热推进研发成本过高且应用场景有限，而俄罗斯近年来在电推进方面取得的技术进步提升了核电推进方案的技术可行性，因而决定集中力量对大功率热电转换技术进行攻关，并与欧盟国家开展了广泛的国际合作。2009年12月，俄罗斯联邦航天局宣布，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Ke1.dysh研究中心和Energiya航天公司联合设计。该兆瓦级空间核动力6船由空间核电源系统进行供电，支持电推进系统实现深空探测任务，采用超高温气冷快堆十闭式布雷顿循环发电，热管/液滴辐射散热的技术方案。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完善。2018年10月，核动力发动机装置的冷却系统进行了地面测试；同年12月，KC1.dySh研究中心宣布了在露天场所进行测试的准备工作。2019年，