載人核熱火箭登陸火星方案研究

洪 剛，婁 振，鄭孟偉，王建明

（1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.北京航天動力研究所，北京 100076）

載人核熱火箭登陸火星方案研究

洪 剛1，婁 振2，鄭孟偉2，王建明1

（1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.北京航天動力研究所，北京 100076）

針對未來載人登陸火星任務，比較了化學推進、電推進及核推進的優缺點，指出核熱推進是未來載人登陸火星的首選。簡述了美國和俄羅斯在核熱推進的研究進展，指出核熱/發電雙模式是未來載人登火的發展趨勢。提出我國近地軌道5次對接、人貨分離載人登陸火星構想。在此基礎上，設計了單臺推力15 t，比沖940 s載人核熱發動機并提出我國核熱火箭2016—2035年發展研究規劃。

載人火星探測；核熱火箭；任務架構；實施計劃

1 引言

進入21世紀以來，人類的深空探測活動空前活躍。世界各航天大國都紛紛推出了新的深空探測發展戰略。總的來看，各國的深空探測日程表都基本相似，即在2015年前進行各種無人探測，2030年以后逐步實現載人登陸火星［1］。美國最新推出的國家航天政策明確宣布了2025年登陸小行星和2030年登陸火星的總體目標［2］。

為了實現深空探測和星際載人飛行任務，要求未來航天運輸系統具有更高的性能、更低的發射成本及更長的工作壽命。在論證這些運輸系統采用何種先進動力系統時，核熱推進受到了廣泛關注。

2 發展核熱火箭的必要性

目前所廣泛使用的液體火箭推進系統，即使采用高性能的液氫/液氧推進劑，其比沖也不超過450 s。以載人火星任務為例，如果選擇氫氧發動機為動力，飛船的總質量基本上都需上千噸，往返時間在400～1000天不等［3］。在此過程中，大質量飛船在低地軌道上的發射組裝、液氫的長時間空間貯存、航天員的健康保障和應急救援等都將是技術難關，并且需要極多的經費。

其他正在發展中的先進推進技術，包括了電推進、太陽能推進、激光推進、核推進等。這些推進技術都具有高比沖（幾千甚至上萬秒）的特點。其中，激光推進尚處于概念階段，且作用距離有限；太陽能推進隨著航天器與太陽的距離增大能量將急劇衰減（火星附近光強下降50%，土星以外太陽能推進已不可行［4］）；純粹的電推進由于功率、轉換效率、電源壽命等原因可實現的推力級別很低（毫牛級至牛級），工作時間也有限。而核推進技術具有能量密度高、功率大、壽命長等優點，對各種深空探測任務都具有很好的適應性。美國新版的國家航天政策就明確列入了空間核動力推進系統的研究內容［2］。

目前可實用的空間核反應方式主要是核衰變和核裂變。其中，核衰變反應的能量密度較低，一般用于空間電源。用于核推進技術的主要是核裂變反應，根據能量轉換方式，核推進又可分為核電推進和核熱推進。其中，核電推進是將核反應能量轉化成電能后應用電推進技術為飛行器提供動力。和現有的電推進火箭動力一樣，核電推進比沖很高，可達到幾千甚至上萬秒。但是目前核反應轉換為電能的轉換效率僅為10%左右［5］，電推進的能量轉換效率也僅為50%～70%左右［6］，因此核電推進的總體能量利用率較低，比功率低（約0.01 kW/kg［7］），同時能量轉換過程中產生的大量廢熱在宇宙空間中如何排放也是個難題。因此，核電推進可實現的推力仍然較小，很難用于載人深空探測（但在無人深空探測器上將會有用，如美國目前正在進行的JIMO木星探測計劃［5］）。而核熱推進是將核反應能量直接轉化為熱能推進，盡管比沖性能不如核電推進，但仍可達到普通化學火箭的2倍以上（900～2000 s），而且能量轉換效率高（約90%）、比功率大（約100 kW/kg［7］），可實現的推力大（已實現了幾噸到幾十噸推力級別），與傳統液體火箭發動機的繼承性強，無疑將成為未來深空探測特別是載人任務的理想動力。

仍然以載人登陸火星計劃為例，以核熱發動機為動力的火箭速度可以達到8.7×104km/h，是化學火箭的3倍，抵達火星的時間理論上可以減少到60天［5］。如果以相同的有效載荷和1年的任務時間來比較，則核熱動力飛船在低地軌道上的總質量可以顯著降低58%。這將明顯增強任務的可實現性（表1）。

表1 地球火星往返飛行任務［7］Table 1 Mission of Earth-Mars roundtrip

在NASA于2002年進行的載人登陸火星計劃空間推進方案論證中，對化學推進、核熱推進、核電推進（包括VASIMR變比沖核電推進）等方案進行了廣泛的比較，得出的結論是：在相同飛行時間下，化學推進的飛船質量太大，核電推進對比功率的要求太高，只有核熱推進最為可行［8］。

即使不用于載人登陸火星任務，未來月球資源開發對地月間運輸系統的時效性和運載能力也會提出越來越高的要求，如果以核熱火箭發動機代替現在的化學火箭發動機，則飛船的有效載荷可增加30%，單程飛行時間可縮短至1～2天，1 kg有效載荷的費用可降低至2.2～2.5萬美元［7］，這無疑將產生巨大的經濟效益。

3 國外核熱火箭發動機發展現狀

核熱火箭發動機的研究迄今主要是在俄羅斯（蘇聯）和美國展開的。兩國的研究都始于上世紀四、五十年代，作為核武器研究的副產品而誕生。

3.1 美國的研究進展

美國原子能委員會（AEC）在ROVER計劃下于1953年開始研發340 kN推力的核熱火箭發動機，美國空軍（USAF）于1956年加入該計劃。而后隨著1958年Atlas洲際彈道導彈的飛行成功，美國軍方對核火箭發動機的需求不再迫切，NASA開始取代USAF主導ROVER計劃［9］。

在ROVER計劃的支持下，Los-Alamos實驗室首先進行了一系列核反應堆（Kiwi-A/B）的原理性試驗。在Kiwi-A反應堆中，氫氣被加熱到了約1900 K，驗證了核熱火箭發動機的工作原理。在Kiwi-B中，反應堆結構被設計為更接近適于飛行的方案（燃料元件由平板形改為六邊形空心棒，中子慢化劑采用氧化鈹代替重水，改變了功率控制機構的結構等）。Kiwi-B系列反應堆也成功進行了一系列的試驗，其中的Kiwi-B4（圖1）在Los-Alamos實驗室的試驗功率達到了1030 MW［9］。

圖1 Kiwi-B4E反應堆［9］Fig.1 Kiwi-B4E reactor［9］

之后，ROVER計劃轉入NERVA計劃（圖2）的第一階段，即將Kiwi反應堆轉化成火箭原型發動機。該階段誕生了NRX系列發動機，該系列發動機主要是應用了Kiwi-B4E的反應堆技術，燃料元件已不再使用氧化鈾，而是改用碳化鈾，工質溫度達到了2200 K，發動機推力約225 kN。其中的NRX-A3試驗功率達到了1165 KW，NRX-A5/6試驗時間達到了62 min［10］。

從1965年開始，Los-Alamos實驗室在Kiwi反應堆的基礎上又進一步研發了更大功率的PHOEBUS反應堆（如圖3），應用于NERVA計劃的第二階段。主要是改進了燃料元件技術，增大了反應堆尺寸（反應堆直徑從Kiwi-B4E的90 cm增加到了140 cm，相應地增大了功率）。PHOEBUS反應堆經歷了1A、1B、2A等階段，最大功率達到了4082 MW，工作時間達到12.5 min［10］。

圖2 NERVA核熱火箭發動機［10］Fig.2 NERVA NTR engine［10］

圖3 PHOEBUS-2反應堆［10］Fig.3 PHOEBUS-2 reactor［10］

此后，由于費用高且背景需求不明確，大功率的PHOEBUS反應堆項目不再持續。到NERVA項目結束的1972年，最后一臺核火箭發動機NRX-ETS-1在1100 MW下總工作時間達到了3h 48 min，比沖825 s，推力33.4 t，重約6.75 t。如果進一步改用更高溫度（2600 K）的燃料元件，比沖還可提高至900 s［10］。

1972年后，雖然大規模的核火箭發動機項目不再繼續，但美國并沒有停止相關技術的研究。這一時期的工作主要是發展結構更為緊湊的反應堆，并進一步提高反應堆工作溫度和循環功率，最終成功發展出了顆粒催化床反應堆和金屬陶瓷技術［10］。

進入21世紀以后，隨著空間探測構想的提出，特別是載人登陸火星計劃的興起，核推進重新受到了重視，各種飛船及核火箭發動機設計方案也層出不窮。不過隨著美國政府的不斷換屆及金融危機的爆發，這些計劃方案都尚未見實質性進展［11］。

3.2 前蘇聯/俄羅斯的研究進展

前蘇聯在上世紀50年代就設計了用于洲際彈道導彈的核熱發動機，初始采用NH3為推進劑，設計推力1255 kN，后也由于常規液體火箭發動機很快成功應用于洲際彈道導彈而終止。此后，隨著載人登陸火星構想的提出，以及在低溫液氫推進劑的研究上取得了進展，從1961年開始前蘇聯開始設計以液氫為推進劑的核熱發動機，提出了多種設計方案，設計推力從30 t到600 t不等［7］。不過，設計方案雖多，但前蘇聯并沒有像美國那樣不計成本地開展大規模的核發動機試驗，其研發更注重基礎性研究，著重在元件或組件級別進行試驗，最終進行整個反應堆原理樣機試驗。在1970至1988的18年間前蘇聯共進行了30次原理樣機試驗無故障，證明了核熱發動機的設計方案是可行的，最后設計提供的RD-0410發動機樣機（如圖4），推力3.5 t，比沖900 s。1989年，前蘇聯還進行了新的火星探測器用核熱及核電雙模式發動機的研究，核熱推進狀態下推力20 t，比沖815～927 s，后隨蘇聯解體而終止［7］。

圖4 RD-0410試驗發動機［7］Fig.4 RD-0410 test engine［7］

前蘇聯早期核熱推進發動機的研制經驗十分值得借鑒，其研究的指導思想十分明確，即核火箭發動機反應堆堆芯的非均勻性和模塊化設計原則，以及對核火箭發動機系統的各部件（例如燃料組件、慢化劑、反射層、壓力容器、渦輪泵、噴管等）分別進行包括可靠性驗證在內的試驗性研制原則，通過這些研制原則可有助于降低技術難度和研制成本。

蘇聯解體后，大規模的核熱火箭發動機研制工作不再持續，但是與核熱火箭發動機相關的研究工作并未停止。事實上，俄羅斯已經研制出工作溫度高于3000 K的核元件材料［11］，這將有助于核熱火箭發動機性能的進一步提高。此外，Koroteev在2007年發表的文章中還提到了一種設計功率340 MW的雙模式空間核發動機，其工作溫度為2900～3100 K，采用鈾的碳氮化物作為燃料元件，室壓6 MPa，真空推力6.8 t，真空比沖接近960 s［11］。這些研究工作的開展都表明，俄羅斯對于核熱火箭發動機研究的關注并未減弱，甚至仍然保持在一個較高的水平上。此外，在俄羅斯航天局新的載人登陸火星計劃中已提出了一項新的核熱火箭發動機的研制計劃，將斥資5.8億美元，為期9年。

3.3 核熱火箭發動機發展趨勢

從美俄（蘇聯）核熱火箭發動機的發展來看，早期追求的都是發展大推力的核火箭發動機，推力達幾十甚至上百噸。這主要是從軍用或大規模載人深空探測的目的出發。隨著兩國在核火箭發動機研發過程中逐漸遇到許多實際困難、軍備競賽和太空競爭需求的逐漸弱化、以及民眾對地球環境保護呼聲的日益提高。大推力、大氣層內使用的核火箭發動機已經不可能有發展空間，大規模的大氣層內核發動機試驗也日益受到約束。因此，目前美俄兩國核火箭發動機的發展均定位于相對較小的推力，用于適當規模的深空探測任務。

當用于無人深空探測器時，核電推進技術是恰當的選擇。當需要進行載人深空探測時，從目前各種推進技術能提供的推力大小和技術成熟度來看，基于核裂變技術的核熱火箭發動機是可預見的未來內最佳的選擇。考慮到載人深空探測對于推力和能源系統供電能力均有較高要求，目前核熱火箭發動機的一個重要發展趨勢是開發雙模式核熱火箭動力系統。這種動力系統可在航天器需要大推力加速的情況下以火箭發動機模式工作。當航天器進入巡航工況時，動力系統轉入發電模式工作，可以為航天器提供各種設備運行、飛船溫度環境控制、推進劑管理和姿態控制所需的電能。

目前設計最為先進的雙模式核動力系統當屬前面提到的俄羅斯設計的340 MW核熱火箭發動機，發電模式下可輸出電功率50 KW。該發動機設計采用1個共用的核反應堆，推進模式和發電模式通過設計于中心部位的喉塞進行切換。推進模式下采用H2推進劑，發電模式下采用He-Xe 或H2-N2工作進行布雷頓循環［11］。這種共用反應堆的設計方案除了可雙模式工作的優點外，還能夠有效減少核熱推進在啟動和關機過程中的推進劑損耗，避免核反應堆過高的溫度應力循環，加快核熱推進工況的啟動速度。當然，這種設計也帶來了許多困難，反應堆結構和材料能否適應不同的循環介質，兩種工況如何順利切換，以及喉塞如何實現密封等。但不管怎樣，這種雙模式核發動機的設計方案應該說代表了核熱推進發動機的先進發展方向。

4 我國載人登火發展設想

4.1 需求分析

典型登火模式將包括六個基本環節：地球出發、近火制動、火星下降、火星上升、火星出發、近地制動。

火星上升有效載荷按10 t估算、地球返回有效載荷按100 t估算，采用人貨合運、地球一次出發，各環節推進劑需求量分配情況如表2所示。采用比沖300 s化學火箭方案登火需消耗的推進劑就達到5479 t左右，采用氫氧發動機推進方案登火需要消耗約1396 t推進劑，使用核熱推進+常規推進方式登火需要消耗454 t左右的推進劑。如果采用人貨分運、地球多次出發模式，使用“核熱推進+常規推進”方式登火估計地球出發規模約700～800 t。

表2 載人登火推進劑分配Table 2 Propellant mass distribution in manned Mars mission/t

4.2 任務規劃

參考當前正在論證的DRA5.0版載人火星計劃核熱火箭發動機技術方案［11］，提出現階段載人登火方案，與美國基本類似。按照地球出發規模約700～800 t考慮，共需7～8次發射，在近地軌道進行五次對接。

1）由重型運載火箭1將核熱推進奔火變軌級1送入近地軌道；

2）由重型運載火箭2將核熱推進奔火變軌級2送入近地軌道；

3）由重型運載火箭3將軌道艙1（火星著陸下降器和上升器）送入近地軌道；

4）由重型運載火箭4將軌道艙2（火星表面生活艙和火星車）送入近地軌道；

5）由重型運載火箭5將核熱推進奔火變軌級3送入近地軌道；

6）由重型運載火箭6將液氫貯箱送入近地軌道；

7）由重型運載火箭7將載人擺渡航天器（含飛船2）送入近地軌道；

8）由載人火箭將載人飛船1送入近地軌道。

將1）和3）在近地軌道對接，由核熱推進奔火變軌級1將軌道艙1送入奔火軌道，軌道艙1與奔火變軌級1分離，之后由軌道艙1制動、氣動減速將下降器和上升器送入環火軌道，下降器和上升器著陸火星表面；將2）和4）在近地軌道對接，由核熱推進奔火變軌級2將軌道艙2送入奔火軌道，軌道艙2與奔火變軌級2分離，之后由軌道艙2制動、氣動減速將火星表面生活艙和火星車送入環火軌道，等待后續入軌的載人飛船；將5）、6）、7）、8）依次在近地軌道對接，宇航員由載人飛船進入擺渡飛行器，由核熱奔火變軌級3（和液氫貯箱）將載人擺渡航天器和載人飛船送入奔火軌道、環火軌道。載人擺渡飛行器和先入軌的火星表面生活艙在環火軌道對接，生活艙與擺渡飛行器其他部分分離，之后生活艙和飛船2降落在火星表面。

完成使命后，航天員通過火星上升級和飛船2進入火星軌道，并與載人擺渡航天器其他部分和載人飛船1進行交會對接。返回地球之前，宇航員進入載人飛船1，與擺渡航天器分離，直接再入地球。

4.3 核熱推進初步設計

從現有航天技術條件評估，載人登陸火星核熱火箭最大的技術難點在推進系統。2012年起，北京宇航系統工程研究所開始規劃論證載人登陸火星用核熱推進系統，提出了發動機單機推力約45噸的核熱火箭發動機設計要求。根據這一需求，結合美國DRA5.0方案［11］，可以初步計算得到表3所示我國核熱火箭發動機大致的設計參數。

表3 載人火星任務用核熱火箭發動機設計參數Table 3 Design parameters of NTR engine in manned Mars mission

根據以上設計參數，比照我國現有低溫發動機水平，可認為核熱發動機工作參數沒有超過現有的技術水平。在與核能相關的方面，主要包括反應堆、反應性控制機構和輻射屏蔽結構等。初步分析表明，在反應性控制機構和輻射屏蔽結構方面，國內具備一定的技術基礎。然而，在核熱發動機的反應堆領域，我國與國外的差距是巨大的，突出反映在反應堆燃料棒材料的耐高溫、耐熱沖擊、材料相容性以及反應堆的傳熱結構設計等方面。特別是在反應堆燃料棒材料領域，國外已經發展了第三代的三元碳化物技術，我國還只具備第一代的核電站用二氧化鈾技術水平。

總的來看，核熱火箭技術研究涉及領域廣泛、技術難度大，要想獲得實質性的技術成果，為我國未來的載人深空探測等任務提供技術支持，還必須制定長期發展戰略，并下大力氣開展研究工作。對此，筆者建議提出關于我國核熱火箭發動機研究的2035年規劃。按照航天研制模式——方案、初樣、試樣流程，該規劃可考慮分四個步驟開展：

1）2016—2018年，進行核熱火箭總體需求及方案論證，開展發動機及核反應堆先期關鍵技術攻關研究，重點突破耐高溫（3000 K）反應堆元件材料的研制，實現電加熱條件下核熱火箭模擬演示試驗；

2）2019—2025年，開展核熱火箭各組件和分系統關鍵技術攻關研究，實現氫介質條件下的反應堆臺架試驗（加熱溫度至3000 K）；

3）2026—2030年，研制核熱火箭原理樣機，實現全系統集成原理演示驗證試驗；

4）2031—2035年，研制核熱火箭工程樣機，完成工程樣機全系統驗證試驗。

以上步驟根據我國航天及核工業技術水平同步發展，筆者認為具有現實可行性。

5 結論

核熱推進相比于化學推進、電推進具有大推力、高比沖等優勢，是未來載人登陸火星推進技術的首選。美俄兩國從上世紀50年代開始研制核熱火箭積累了雄厚的技術基礎，研制經歷表明發展核熱/發電雙模態推進技術是未來發展方向。從我國航天實際技術水平出發，載人登火可以采用近地軌道5次對接、人貨分離任務架構，在此架構基礎上設計的單臺推力15 t、比沖940 s載人核熱發動機滿足總體任務需求。空間反應堆是核熱火箭研制的關鍵技術，建議我國實施20年、四步走的實施計劃，力爭2035年實現利用核熱火箭載人登陸火星。

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Study on Nuclear Thermal Rocket for Manned Mars Exploration

HONG Gang1，LOU Zhen2，ZHENG Mengwei2，WANG Jianming1
（1.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering，Beijing 100076，China；2.Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

With the high-speed development of space technology in the 21stcentury，the main space faring counties have proposed manned Mars exploration initiatives in 2030 s.In this article，the advantages and disadvantages of chemical，electrical and nuclear rocket were compared at first.It was found that nuclear thermal rocket（NTR）technology was the best choice for future manned Mars exploration.Then，the development history of nuclear thermal rocket in US and Russia was reviewed，and the nuclear thermal/electrical bimodal technological trend was presented.Finally，Chinese prime human mars exploration architecture，crew/cargo separation and 5-times LEO docking，were proposed.Based on this architecture，a 15 t single-thrust and 940 s impulse nuclear thermal engine was designed and Chinese NTR development-research plan between 2016 and 2035 was presented.

manned mars exploration；nuclear thermal rocket；mission architecture；implement plan

TP393.0

A

1674-5825（2015）06-0611-07

2014-09-13；

2015-09-30

洪剛（1979-），男，碩士，高級工程師，研究方向為宇航動力系統總體技術。E-mail：11268525@qq.com