核熱火箭應用前景與展望

張承志 王國慶 代坤 汪小衛 （中國運載火箭研究院研究發展中心）

空間活動的核心是推進系統，單位質量推進劑在單位時間內能夠獲得的能量及其能夠持續的時間，直接決定能夠開展的空間活動的范圍與規模。目前采用的推進方式包括化學推進和基于太陽能的電推進均有其自身的不足，不能滿足日益發展的航天活動的需要。相對化學推進及電推進，核熱火箭兼具比沖高、推力大的優勢，可滿足更大規模的深空探索需求，是未來航天運輸系統及航天動力技術發展的重要方向。

1 核熱火箭概念及原理

核熱火箭根據反應類型不同分為核裂變火箭和核聚變火箭。核裂變火箭采用具備極高能量密度的核熱反應堆為能量源，以氫等小分子量的氣體為工作介質，理論比沖能夠達到1000s。工作介質流過核熱反應堆吸收能量，產生高溫高壓的氣體，氣體進而膨脹高速噴出，產生推力。

核熱火箭主要包括兩大部分：總體部分（貯箱、增壓輸送系統、渦輪泵及噴管）和核反應堆部分。

核裂變火箭發動機原理

核聚變發動機工作原理

核聚變火箭的原理是采用等離子體噴射流技術，將等離子體流注入火箭噴嘴，在強大磁場作用下引發核聚變產生足夠能量，迅速加熱并導致鋰金屬外殼在磁場控制下的噴嘴區域蒸發，高速（＞30km/s）噴出火箭噴管從而產生推進動力，比沖能達到2400～5700s。

2 國內外發展現狀及發展趨勢

縱觀核熱火箭動力方面的研究，主要集中在美國和蘇聯/俄羅斯，兩國幾乎同時在20世紀50年代中期啟動核熱火箭發動機研究計劃，雖經歷多次起伏，但仍然取得了巨大成就，為空間應用奠定了堅實的基礎。

美國

自1955年以來，美國政府實施了多個核火箭計劃，其中最著名的便是“核火箭開發計劃”（ROVER）和“用于空間推進的核火箭發動機的研制計劃”（NERVA），另外還有“空間核熱推進計劃”（SNTP）、“太空探索倡議”(SEI)計劃、“普羅米修斯計劃”、“載人登陸火星計劃”以及一些新概念。

美國于1955年啟動了“核火箭開發計劃”，1955-1960年間，在內華達州核試驗場的核火箭開發中心建立了大型的核火箭實驗基地，進行了14個不同系列反應系統部件和發動機組件的熱試車。

美國典型核熱火箭發動機性能

“核火箭開發計劃”中的核熱火箭發動機結構示意圖

1962年，美國基于載人月球探測工程啟動了用于空間推進的核火箭發動機研制計劃“用于空間推進的核火箭發動機的研制計劃”。利用“核火箭開發計劃”的成果進一步研制一套推力35t、比沖不低于825s、持續工作時間超過1h的飛行樣機。在1962-1972年間，共進行了6次發動機和整個推進系統的熱試車，考核其各種工作性能。

1989年，美國總統布什發布了“太空探索倡議”，美國航空航天局（NASA）認為核熱火箭是探索火星的比較理想的推進動力選擇。2003年，美國制訂的新太空政策中提出了利用核動力推進航天器探索火星的普羅米修斯計劃，大力加強核能推進的研究。2004年，小布什政府提出載人登陸火星的愿景后，NASA以火星表面著陸任務為焦點開展了一項《載人火星探索設計參考架構5.0》（DRA 5.0）研究。該研究設想宇航員在火星上停留約540天，深空飛行時間為1年，并選擇核熱火箭作為推進系統。

2010年，奧巴馬政府的新《國家太空政策》提出，到2030年代中期，把宇航員送到火星軌道上并使之安全返回地球，NASA將核熱火箭選定為首選的載人火星探測推進方案。2012年初，NASA與美國國家研究理事會公布了研究結果《空間技術路線圖與優先任務》，選出16個最重要的技術發展領域，作為未來NASA預算投資的指南，核熱火箭被列入其中的顯著位置，并在2012-2014年開展了核低溫推進級（NCPS）項目，分別對基于“用于空間推進的核火箭發動機的研制計劃”衍生燃料和金屬陶瓷燃料開展反應堆設計。

2011年以來，華盛頓大學的科學家與空間推進研究公司(MSNW)開展了一項新型核聚變火箭技術的研究，并稱有望將載人火星航行變成現實。華盛頓大學提出的核聚變轉移飛船前往火星計劃已經有了詳細的計算機建模和初步實驗結果，并正在進行第二輪研究計劃。目前已經在實驗室中實現了整個過程的測試，現在正在進行整體試驗驗證，并實際檢驗核聚變的技術方案。

2014年底，NASA確定了近期以技術成熟的石墨基體復合燃料為主，未來以高性能Cermet燃料為主開展核火箭發動機的進一步研究。在2015年2月召開的空間核及新興技術會議（NETS）上，NASA研究人員提出在2020年左右研發出33kN推力（可拓展至73～110kN）的石墨基體復合燃料發動機，計劃于2024年開展地面測試，并在2025年執行月球flyby任務。基于Cermet燃料的發動機用于執行2031-2033年的火星貨運任務，以及2033-2035年的載人探測火星任務。

蘇聯/俄羅斯

蘇聯對于核熱火箭推進的研制歷程比較平穩，持續時間也較長。從1953年開始，多家研究院、設計局、實驗室均參與了研究、設計和試驗，建立了大型核發動機試驗基地，研制了多臺不同推力/不同結構方案的核熱火箭發動機并開展大量的試驗，取得了重大成果。

蘇聯/俄羅斯一些主要的核熱火箭發動機有：No.456設計局研制的固相核熱火箭發動機RD－401、402、404、405、0410、0411、600等。在數十種設計中，開發程度最高的是RD-0411（推力約392kN）和RD-0410（推力約35kN）。在各類設計基礎上，俄羅斯建造了全尺寸的RD-0410核火箭發動機原型裝置，并在著名的“貝加爾”試驗臺架上完成了全尺寸核熱火箭系統反應堆的幾個系列試驗。

RD－0410核火箭發動機

俄羅斯還提出用乙烷作推進劑添加劑，降低氫氣對燃料元件的侵蝕。為滿足火星探索任務要求，俄羅斯在RD－0410基線設計基礎上開發了雙模式（推進/電源）系統（NPPS）。

2007年4月，俄羅斯電力技術研究與設計院發起召開了一次有多部門參加的研討會，會議決定將核熱火箭發動機設計工作的重點放在開發一種核動力雙模式系統陸地原型裝置上，其電功率為100～500kW。與此同時，電力技術研究與設計院與哈薩克斯坦國家核中心的核動力院一起，啟動了IVG－1反應堆的升級改造工作，使許多部件、系統的壽期試驗成為可能，包括燃料元件、堆芯部件、發動機系統等。

蘇聯/俄羅斯典型核熱火箭發動機性能

俄羅斯聯邦航天局2009年10月28日宣布開發裝備兆瓦級核熱動力裝置的載人飛船，旨在實施大規模空間探索計劃，使俄羅斯航天技術提高到一個全新的水平。俄羅斯聯邦航天局局長安納托利·佩爾米諾夫指出，為載人航天器開發兆瓦級空間核熱動力系統（MCNSPS），對于俄羅斯維持空間競賽優勢（包括月球探索和火星探索）至關重要。俄羅斯科學家指出，空間核熱動力系統和核發動機系統開發工作下階段的方向是：保持俄羅斯在空間核技術領域的領先地位，維持獨特的實驗與工業技術基礎和科學中心及有關企業的基礎能力。

國外發展趨勢

（1）模塊化、小型化

美俄重點發展推力30～100kN、比沖900s以上的核熱火箭發動機。將多個這種規模的核熱火箭發動機捆綁使用，可以滿足不同的任務需求。在具體研究方案上，將核熱火箭發動機的組成部分進一步模塊化、小型化，減小系統重量，對各模塊進行單獨試驗，并注重采用非核試驗方式，降低試驗難度，節省研制費用。

（2）開發新型核燃料

在核熱火箭發動機所用的核燃料方面，俄羅斯大力發展三元碳化物燃料及碳化物-氮化物燃料，美國則重點研發石墨基體燃料和鎢金屬陶瓷燃料，更高性能的核反應堆燃料對核熱推進技術研究可以起到重大推動作用。

（3）雙功能模式

在核熱火箭發動機中附加一個發電模塊，可實現推進/發電兩大功能，一方面可直接用于核熱火箭推進，另一方面也可為航天器提供充足的電力供應。此外，也可在航天器上增加電推進系統，在脫離星球引力時使用具有高推重比的核熱推進方式快速加速，在行星際間飛行時則切換為具有高比沖的電推進方式，這樣可以延長反應堆的壽命，從而實現更遠距離的探測任務。

國內發展現狀

早在1949年，錢學森先生就提出了發展核熱火箭的設想，并就核熱火箭開展了一些基礎研究。時至今日，相比國外的研究成果，我國的技術基礎尚淺，還需要進行大量的研究工作，以突破相關關鍵技術。雖然核熱火箭技術的研究基礎較為薄弱，但我國反應堆工程技術基礎卻比較雄厚。以中國原子能科學研究院為例，其在反應堆的堆芯物理實驗及理論計算和分析、反應堆熱工試驗及計算和分析、反應堆結構、反應堆材料、反應堆的各個系統和設備等方面開展過大量的工作，具有豐富的實踐經驗和雄厚的技術基礎。

3 工程應用制約因素

技術層面

未來將核熱火箭動力應用于工程研制中，尚存在以下關鍵技術需要解決，主要涉及到核熱火箭總體技術、核熱火箭發動機技術、核反應堆技術和核反應系統環保技術等。

（1）運載器總體技術

核熱火箭不同于傳統化學火箭，需要研究核熱火箭動力在航天運載器上的應用模式，開展基于核熱火箭動力的航天運載器方案研究。具體研究包括：核熱火箭總體指標論證、總體布局優化、總體參數論證，各部段和主要分系統方案論證，核熱推進火箭工作性能仿真和優化，核熱推進火箭核熱和能源系統一體化研究，核熱火箭增壓輸送優化設計技術。

（2）核熱發動機技術

在核熱火箭發動機中，傳統化學推進的燃燒室內換成了高能量的核反應系統，推力室和工質增壓輸送管路的構造發生了明顯變化，需要重新設計，開展與核反應系統適應性的優化設計，以及滿足核反應系統高效熱交換設計等。

（3）核反應堆相關技術

復雜的燃料元件和堆芯結構首先給核反應堆的設計帶來了較大的挑戰，核熱火箭堆芯內的溫度變化范圍較大，核燃料需要經受急劇的溫度變化，各種材料與冷卻系統要有較好的相容性，這進一步加大了設計的困難。核熱火箭動力應用于航天運載器，要求其核反應系統在很短的時間內達到滿功率運行，并且在關機時減小后效，對自動控制技術提出了很高的要求。另外，核反應系統小型化和模塊化設計也是設計的難點。

（4）核反應系統環保技術

尋找輕質的高性能屏蔽材料、優化全系統的輻射屏蔽結構，避免射線對航天員或電子設備的輻照，是核熱火箭設計中必須面對的難題。核熱試驗要在密閉的環境下進行，噴管噴出的工質和從反應堆流出的冷卻劑具有一定的核污染，需要采用特定技術進行隔離回收處理。

政策層面

美國“用于空間推進的核火箭發動機的研制計劃”取得了巨大的成功，通過開展6次核熱火箭發動機熱試車，考核了各項工作性能，發動機及其系統的設計不斷得到完善，驗證了技術可行性和結構完整性、可靠性以及多次啟動能力，完全具備開展樣機飛行試驗的技術基礎，但最終還是在1972年停止，原因就在于美國國家政策層面決定探月工程采用化學推進形式而不是核熱火箭推進。在完成探月工程后，NASA將發展重點調整為行星際無人探測器，仍然采用化學推進作為動力，使核熱火箭的研究工作再次失去了需求牽引，缺少政策和財政支持。

20世紀90年代初至21世紀初，由于冷戰的結束，空間發展因為沒有競爭而失去了強勁推動力，美國國家政策層面再次中斷核熱火箭動力的研制投入，使核熱火箭發動機的研制也一度陷入停頓。

蘇聯不但成功進行了燃料元件和燃料組件的地面全規模試驗，而且設計開發了核熱火箭發動機原型裝置并開展了地面試驗，完全具備開展樣機飛行實驗的技術基礎。但到了1980年前后，由于受到美國選擇化學推進作為探月工程推進形式的影響，蘇聯停滯了大規模的核熱火箭研究/研制/試驗工作。隨后蘇聯的政局開始動蕩、財政窘迫，無力重啟核熱發動機的研制工作。

法律層面

核熱推進不同于傳統化學推進，其自身攜帶核反應系統，涉及到核安全的問題。運載器從地面起飛到入軌過程中若發生事故，核反應系統殘骸的隕落將可能帶來核輻射污染問題；運載器入軌后，核熱末級在軌運行，也涉及到國際空間核安全相關法律法規的問題。

核安全相關的法律限制也是核熱火箭動力轉向工程應用的主要因素，如1992年《關于在外層空間使用核動力源的規定》中明確提出只能使用U－235燃料，且核反應堆可用于行星際航天任務、足夠高的軌道或任務執行完畢后存放在足夠高度的低地球軌道；在到達工作軌道前不得進入臨界狀態；確保在到達工作軌道前發生一切可能事件時均不能進入臨界狀態。

2009年《外層空間核動力源應用安全框架》涵蓋了發射、運行和飛行過程各階段在核安全方面的指導意見，并補充規定了空間使用核動力源在制造、測試和運輸等地面活動階段中不得進入臨界狀態。

4 未來應用設想

應用于重型火箭末級

核熱末級重型運載火箭方案可以現有的重型運載火箭方案為基礎，助推器、一級和二級的方案基本不變，芯三級則采用核熱火箭發動機，以液氫作為熱交換和做功工質。采用核熱末級的重型運載火箭具備發射地球軌道大型載荷的能力，可以有力支撐完成地球軌道大型平臺的建設，如裝備大型深空望遠鏡、空間太陽能電站，還可以支撐完成后續更大規模的載人登月以及月球基地的建設任務。

應用于軌道轉移飛行器

隨著航天技術的發展和未來對空間利益的爭奪，我國在航天運輸領域對軌道轉移飛行器動力的在軌能力和速度增量提出了更高的能力需求，核熱火箭動力具有長期在軌能力強、速度增量大、飛行時間短等優勢，正好適應了這種能力需求。以核熱火箭作為軌道轉移飛行器的動力，可以支撐完成后續軌道機動平臺部署和在軌飛行器空間轉移等任務。

應用于探測火星等深空探測任務

深空探測是一個國家航天技術能力的象征，是提升國家政治影響力的有效途徑，美國和俄羅斯均開展了大量的火星探測等深空探測研究工作。開展深空探測任務需要具有高性能空間運輸能力的運載器，核熱火箭動力將核能轉化為熱能是核能利用效率的最高的推進方式，可實現半年內載人登陸火星，是可預見的未來深空探測的首選，其空間應用將幫助人類以更小的代價實現更大規模的空間探索活動。

5 結束語

核熱火箭具有功率高、比沖大、工作時間長等特點，特別是隨著推進系統工作時間的增加，核熱火箭的質量優勢更加明顯，如作為深空探測或空間軌道運輸級的動力，可大幅提高運載器的性能，是未來航天運輸系統及航天動力技術發展的重要方向之一。中國應以航天運輸系統的需求為牽引，盡早投入力量開展相應關鍵技術的研究工作。