核熱推進運載火箭技術發展綜述

徐友濤 （中國運載火箭技術研究院）

核熱推進運載火箭技術發展綜述

Development Review of Nuclear Thermal Propulsion Launch Vehicle Technologies

徐友濤 （中國運載火箭技術研究院）

文章首先簡要介紹了核熱火箭推進系統的原理、組成和應用價值；綜述了國際上核熱推進火箭技術的發展和應用情況；對我國在總體技術和核熱反應系統技術方面開展研究的現狀和相關技術基礎進行了介紹，并初步梳理了發展核熱推進運載火箭所需要解決的關鍵技術。

1 引言

核熱推進是一種高效的推進方式，采用具備極高能量密度的核熱反應系統為能量源，根據反應類型分為核裂變和核聚變兩種方式。

核裂變反應推進的基本原理是：采用工作介質流過核熱反應系統（反應堆）吸收能量，產生高溫高壓的氣體，然后通過噴管被加速到超音速，從而產生推進動力。核裂變推進運載系統主要包括兩大部分：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。

與傳統的基于化學能的火箭推進系統相比，核裂變推進系統突出的優點是比沖高。核裂變推進發動機比沖與工質的加熱溫度與其分子量比值的平方根成正比，工質分子量越低，發動統計比沖越高。當采用氫作為推進工質時，理論上比沖能夠達到1000s。由于比沖高，完成相同的空間飛行任務，核裂變推進系統所攜帶的推進劑質量僅為氫/氧火箭發動機推進劑質量的1/3，而所需的運輸系統成本不到氫/氧火箭發動機的44%。與電推進動力相比，核裂變推進推力有數量級的增大，更適合作為各類航天運載器的動力。

核聚變火箭原理的初步設想是采用等離子體噴射流技術，將等離子體流注入火箭噴嘴，聚變系統中會形成強大的磁場，在磁場中的等離子體周圍使用金屬環內爆，等離子體在各層金屬環（鋰金屬）結構控制的壓力室內被壓縮，從而對等離子體施加強大的向心壓力，進而引發核聚變。周圍的金屬環形成一個外殼激發核聚變的發生，點燃核聚變的過程僅幾微秒，將能量突然釋放出來。盡管只有這么短的壓縮時間，但發生的核聚變作用可以產生足夠能量，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、離子化。此時在超高溫下蒸發的金屬外殼便會被高速噴出火箭噴口，從而推動火箭前進。

固體金屬鋰推進劑不需要很大的貯箱，鋰被迅速加熱，并加速到非常高的噴出速度（>30km/s），因此比沖能達到2400～5700s，同時高溫電離的推進劑與飛行器本身沒有物理接觸，避免了對火箭的破壞，并使熱載問題得到限制。

由于核熱推進系統的上述優點，將其作為航天運載器（火箭，特別是火箭末級、軌道轉移級等）的動力系統，可以明顯提高運載器的性能。核熱推進系統的推力仍需要大幅提高，才能滿足火箭基礎級對發動機推力的要求，近期來看，更適合作為火箭末級、軌道轉移級的動力。以重型運載火箭為例，如將氫氧末級改成以液氫為工質的核裂變熱推進末級，其運載能力可實現翻番。

核熱推進系統具有比沖高、結構相對簡單的特點，作為運載火箭或空間軌道運輸級的動力可以大幅提高運載器的性能，滿足深空探索的需求向更遠的深空拓展，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。從推動航天動力技術發展、支撐航天運輸系統發展的角度考慮，有必要以總體需求為牽引積極開展核熱推進及其應用技術的研究。

2 國外發展及應用情況

縱觀核熱推進方面的研究，主要集中在美國和蘇聯，兩國幾乎同時在20世紀50年代中期啟動核熱推進發動機研制發展計劃。數十年來，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。近年來由于載人火星等計劃的實施，美國部分研究機構提出研究核聚變火箭方案，并已開展部分原理性試驗。

美國

(1) 核裂變推進

1955年，美國啟動了“核火箭開發計劃”（ROVER），于1955－1960年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試驗基地，成功開發了石墨蜂巢多孔棱柱型固相核火箭發動機，共進行了14個不同系列反應系統部件和發動機組件的熱試車，核裂變功率量級從500～5000MW（大致相當于推力100～1000kN），為發動機整機研制奠定了基礎。

隨后，美國開展了載人月球探測工程，于是美國又啟動了用于空間推進的“運載火箭用核發動機”（NERVA）研制計劃。利用ROVER計劃的成果進一步研制一套推力350kN、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，美國共進行了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。通過這些試驗，發動機及其系統的設計不斷得到完善，進行了除飛行試驗外的各種試驗，驗證了技術可行性、結構完整性、可靠性以及多次啟動能力，完全具備了開展樣機飛行試驗的技術基礎。

20世紀80年代，美國國防部和戰略防御計劃局設想使用核推進作為攔截彈道導彈和空間軌道轉移動力，提出了“粒子床反應堆芯”（PBR）概念，并通過一系列小型的試驗證明了概念的可行性。而后，在此基礎上設計了一種更緊湊、超輕的微型反應堆發動機（MITEE），盡管20世紀80至90年代初期間沒有如ROVER計劃和NERVA計劃期間開展的大型地面試驗，但發動機工作原理機制得到了更深入全面的把握，并在部組件技術上得到了進一步的發展。

1989年，時任美國總統喬治·布什發布了“太空探索倡議”（SEI）。在綜合各方面信息后，美國國家航空航天局（NASA）認為核熱推進是探索火星的比較理想的推進動力選擇。1990年，美國國防部、能源部和NASA組織了一個工作小組，對各種核熱推進方案進行了評價，最后認為NERVA計劃衍生反應堆（NDR）、“金屬陶瓷燃料”（CERMET）快速反應堆和獨聯體扭曲帶三元碳化物燃料三種方案最有發展前景。

NDR是以NERVA計劃中的技術為基礎加以改進而得到的堆芯方案。CERMET的燃料不再采用UC2顆粒，而是改用熔點更高的二元碳化物（U,Zr）C的固溶體彌散于石墨基體中，提高了工質的最高溫度。其元件形式和燃料在核火箭發動機研制計劃中分別進行了驗證，因此被認為是研究費用最少、最可能實現的堆芯方案。

CERMET設計思想來源于20世紀60年代通用電氣設計的一個快中子堆概念。該燃料與其他核推進有很大的不同，它采用的是將裂變材料UO2均勻彌散到難熔金屬（鎢、錸、鉭等）基體中的形式。這種燃料對裂變產物有較強的包容能力，與高溫氫氣的相容性較好，有較長的壽命和多次啟動的潛力。CERMET的一個不利因素是燃料裝量大，并且由于金屬基體的密度較大，使得整個堆芯的質量較大。

獨聯體方案是由美國和獨聯體的航空噴氣公司（Aerojet）、能源池公司（Energopool）和寶華韋健公司（B&W）組合聯合隊伍，以蘇聯的核熱推進技術為基礎提出的。它采用以氫化鋯為慢化劑，三元碳化物（UC-NbC-ZrC）為燃料的非均勻堆設計。該方案的燃料組件采用的是軸向流道設計，在長度方向上由若干個燃料棒束組成。燃料的成分可沿燃料組件長度變化，以調整軸向功率分布。燃料組件的數目和長度由需要的推力和氫氣排氣溫度決定。

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”（Prometheus）計劃，大力加強核能推進的研究。開展研制安全保障的核裂變發動機（SAFE）試驗系列是美國正在進行的一項中長期發展計劃。該計劃采用三階段發展戰略，其最終目標是發展核推進以使人類能夠快速經濟地訪問太陽系內的任何地點。

雖然核熱推進計劃一直在提出，但美國近期沒有進行過實質性的核熱推進發動機的試驗，僅是幾個實驗室在從事燃料、材料等方面的研究。像NASA格倫研究中心目前集中于發展小型的核熱推進系統（推力為60～100kN），測試一些耐高溫的碳化物、碳氮化物、金屬基體等形式的燃料。而馬歇爾研究中心則在使用電弧加熱的方式模擬核熱推進系統堆芯的高溫氫氣環境，測試各種材料性能、可靠性、持久性等。

（2）核聚變推進

聚變能量極高，聚變中氚是放射性元素，但其半衰期短（12年，鈾的同位素半衰期需數億年到數十億年不等），放射性污染也相對少，比起裂變碎片的放射性處理簡單很多。因此，核聚變能源的清潔等優點吸引了科學家為之數十年不懈的努力，將核聚變能源作為動力發展星際旅行就變得極具誘惑力。核聚變理論的提出已經有數十年，世界上有一部分科學家對這種核動力的火箭系統也非?？春?。2009年，英國《新科學家》雜志就在文章中預測這種核聚變動力火箭系統數十年后有可能實現。

2011年以來，華盛頓大學的科學家與空間推進研究公司（MSNW）正在進行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。依照目前人類現有的化學燃料技術，完成一次火星往返任務至少需要4年，如果核聚變動力真的成為現實，這趟行程30～90天就可以完成。

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試驗結果，并正在進行第二輪研究計劃。所設計的核聚變火箭只需要質量很低的核材料，一粒沙子大小的核材料所提供的能量約為3.8L的火箭燃料。已經在實驗室中實現了整個過程的測試?，F在正在進行整體試驗驗證，并實際檢驗核聚變的技術方案。研究組設計和生成一種特殊的等離子體，其被自身的磁場束縛。當這些等離子體在磁場中受到強烈壓縮時便會發生核聚變。

華盛頓大學已經完成了對金屬卷的匯聚、原理可行性分析和三維模擬，一個系統級模型以及初步推進系統設計已完成，考慮了載人和不載人兩種任務。第二階段研究將重點放在獲得核聚變推進火箭（FDR）技術發展的3個關鍵準則：①核聚變推進火箭的物理過程需要完全地弄清楚和得到驗證；②全面給出核聚變推進火箭在空間應用的設計和技術發展；③完成基于核聚變的火箭總體設計和飛行器整體設計的深入分析以及任務架構。一個縮比的、實驗室的金屬襯壓縮測試設備將采用充分的動力能量（約為0.5MJ）來使其達到聚變狀態。金屬襯匯聚的研究將在金屬襯壓縮驗證測試后。一個完整的核聚變推進火箭和飛行器的設計包括：概念描述，所有分系統的方案、成本、技術成熟度（TRL）評估。任務設計架構分析將檢驗一個寬范圍的任務架構以及這種核聚變推進系統的研究目標。

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年開始的近30年時間里，蘇聯的多家研究院、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，并開展了大量的試驗，取得了重大成果。

一些主要的核熱火箭發動機有：第456設計局研制的固相核火箭發動機RD-401、402、404、405，化學自動化設計局研制的RD-0410核火箭發動機，建造了RD-0410核熱推進系統的試驗樣機，在著名的“貝加爾”（Baikal）試驗臺架上完成了全尺寸核熱推進系統反應堆的幾個試驗系列，驗證了建造核熱推進系統和雙模態空間核動力系統的可行性。第456設計局還開展了基于氣相反應堆的核火箭發動機RD-600的試驗研究，比沖可達2000s，只是產生的理論和工藝問題太多，尚需繼續深入進行。20世紀60年代初，第一設計局最早提出載人繞月考察方案，曾準備采用核火箭發動機，包括單級彈道火箭RP-1和兩級混合型火箭RXP-II，提出的核火箭發動機推力為1400kN。這些大規模的研究、研制、試驗工作一直持續到1980年前后。作為蘇聯繼承者的獨聯體繼續開展了一些核熱火箭的研究工作，建立了反應堆采用非均質設計、減速劑使用氫化鋯、燃料用三元碳化物的核熱火箭方案，其設計比同期美國的幾個方案無論在性能上還是在壽命上皆有優勢。

小結

通過研究美國和俄羅斯幾個有代表性的核裂變熱推進系統的主要設計參數，可以看出，早期設計的核熱推進系統雖然推力較大，但由于堆芯功率密度和燃料最高工作溫度較低，從而造成了發動機系統的體積和質量較大，比沖較小，性能指標不高，很難與航天器系統兼容匹配。因而，美國和俄羅斯相繼放棄了推力100kN以上的核熱推進系統的研制計劃，轉而發展推力幾萬牛頓，功率密度更大、比沖更高、體積和質量更小的核熱推進系統。就具體堆芯設計而言，堆芯方案都從均勻化堆芯轉向了非均勻化堆芯設計，并且將堆芯的主要部件模塊化。

國外核熱裂變推進系統設計參數對比

國外的核裂變推進系統技術的發展趨勢可以總結為：①小型化，發展功率密度較高、體積和質量更小的核熱推進裝置，具有更高的推重比。②模塊化，將核熱推進裝置的組成部分模塊化，可以對各模塊進行單獨試驗，降低試驗難度，節省研制費用。③雙模式，在核熱推進中附加一個發電模塊，可實現推進、發電兩大功能，特別適用于載人航天任務。

核熱推進經過半個多世紀的發展，因為其所涉及的理論和技術問題相當廣泛，需要的投入巨大，所以發展不是一帆風順的，還受到國際國內環境、財政情況等的制約和影響。盡管如此，核熱推進技術還是得到了巨大的發展，其中的固相核熱推進技術已經具備了開展空間飛行驗證試驗和空間應用的技術基礎。國外針對核熱推進技術一直在開展研究，取得了巨大發展。另外，美國近年來在聚變推進原理和基礎技術上取得突破，并在不斷投入開展研究工作，并設想應用于未來載人火星計劃中。作為航天大國，我國也應該大力并持續發展核熱推進技術。

3 國內研究現狀及相關技術基礎

相關研究取得的進展和所具備的技術基礎

我國在核熱火箭的研究方面還主要集中在核裂變推進上。早在1949年，錢學森就提出了發展核火箭的設想。之后，我國在核火箭方面做了一些初步的研究，但截至目前，我國的核熱推進裝置主要處于跟蹤研究的階段，且主要集中在核反應堆技術研究方面，相關總體技術剛剛起步。

在核熱推進涉及到的液氫推進劑的應用技術方面，無論是運載火箭中液氫推進劑貯箱和增壓輸送系統的設計、研制，還是液氫推進劑發動機的設計、研制，我國已具備了豐富的經驗。我國現役火箭型號中，長征－3A（CZ－3A）系列運載火箭的三級使用了液氫/液氧推進劑，在新一代運載火箭中采用液氫推進劑。因此，我國已掌握液氫推進劑的應用技術，并可作為進一步發展的基礎，應用于核熱推進系統總體技術中。

我國有針對性地開展了核火箭方面的研究，主要包括核火箭工作原理和總體結構研究，另外還有核火箭發動機的總體概念研究和反應堆物理熱工分析，主要進行了發動機堆芯的概念性設計。但相比國外的研究成果，我國的技術基礎尚淺，還需要開展大量的研究工作，突破相關關鍵技術。

需要突破的關鍵技術

未來將核熱推進應用于航天運輸系統中，尚存在以下關鍵技術亟待解決。

（1）總體技術

1）基于核熱推進航天運載器方案和應用模式研究；

2）基于核熱推進航天運載系統的總體技術；

3）低溫推進劑長時間在軌貯存技術；

4）推力量級的確定。

（2）核熱發動機技術

1）熱核推力室技術；

2）推進工質輸送及管理技術；

3）試驗技術。

（3）核反應系統相關技術

1）反應系統的設計技術；

2）核燃料制造技術和堆芯材料的研制；

3）核反應系統自動控制技術。

4 結束語

相對化學推進及電推進，核熱推進兼具有比沖高、推力大的優勢，是有效提高航天動力系統性能的途徑之一。數十年來，國外一直在開展相關的技術研究，我國作為航天大國，也應該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。