载人核热火箭登陆火星方案研究

洪 刚，娄 振，郑孟伟，王建明

（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京航天动力研究所，北京 100076）

载人核热火箭登陆火星方案研究

洪 刚1，娄 振2，郑孟伟2，王建明1

（1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京航天动力研究所，北京 100076）

针对未来载人登陆火星任务，比较了化学推进、电推进及核推进的优缺点，指出核热推进是未来载人登陆火星的首选。简述了美国和俄罗斯在核热推进的研究进展，指出核热/发电双模式是未来载人登火的发展趋势。提出我国近地轨道5次对接、人货分离载人登陆火星构想。在此基础上，设计了单台推力15 t，比冲940 s载人核热发动机并提出我国核热火箭2016—2035年发展研究规划。

载人火星探测；核热火箭；任务架构；实施计划

1 引言

进入21世纪以来，人类的深空探测活动空前活跃。世界各航天大国都纷纷推出了新的深空探测发展战略。总的来看，各国的深空探测日程表都基本相似，即在2015年前进行各种无人探测，2030年以后逐步实现载人登陆火星［1］。美国最新推出的国家航天政策明确宣布了2025年登陆小行星和2030年登陆火星的总体目标［2］。

为了实现深空探测和星际载人飞行任务，要求未来航天运输系统具有更高的性能、更低的发射成本及更长的工作寿命。在论证这些运输系统采用何种先进动力系统时，核热推进受到了广泛关注。

2 发展核热火箭的必要性

目前所广泛使用的液体火箭推进系统，即使采用高性能的液氢/液氧推进剂，其比冲也不超过450 s。以载人火星任务为例，如果选择氢氧发动机为动力，飞船的总质量基本上都需上千吨，往返时间在400～1000天不等［3］。在此过程中，大质量飞船在低地轨道上的发射组装、液氢的长时间空间贮存、航天员的健康保障和应急救援等都将是技术难关，并且需要极多的经费。

其他正在发展中的先进推进技术，包括了电推进、太阳能推进、激光推进、核推进等。这些推进技术都具有高比冲（几千甚至上万秒）的特点。其中，激光推进尚处于概念阶段，且作用距离有限；太阳能推进随着航天器与太阳的距离增大能量将急剧衰减（火星附近光强下降50%，土星以外太阳能推进已不可行［4］）；纯粹的电推进由于功率、转换效率、电源寿命等原因可实现的推力级别很低（毫牛级至牛级），工作时间也有限。而核推进技术具有能量密度高、功率大、寿命长等优点，对各种深空探测任务都具有很好的适应性。美国新版的国家航天政策就明确列入了空间核动力推进系统的研究内容［2］。

目前可实用的空间核反应方式主要是核衰变和核裂变。其中，核衰变反应的能量密度较低，一般用于空间电源。用于核推进技术的主要是核裂变反应，根据能量转换方式，核推进又可分为核电推进和核热推进。其中，核电推进是将核反应能量转化成电能后应用电推进技术为飞行器提供动力。和现有的电推进火箭动力一样，核电推进比冲很高，可达到几千甚至上万秒。但是目前核反应转换为电能的转换效率仅为10%左右［5］，电推进的能量转换效率也仅为50%～70%左右［6］，因此核电推进的总体能量利用率较低，比功率低（约0.01 kW/kg［7］），同时能量转换过程中产生的大量废热在宇宙空间中如何排放也是个难题。因此，核电推进可实现的推力仍然较小，很难用于载人深空探测（但在无人深空探测器上将会有用，如美国目前正在进行的JIMO木星探测计划［5］）。而核热推进是将核反应能量直接转化为热能推进，尽管比冲性能不如核电推进，但仍可达到普通化学火箭的2倍以上（900～2000 s），而且能量转换效率高（约90%）、比功率大（约100 kW/kg［7］），可实现的推力大（已实现了几吨到几十吨推力级别），与传统液体火箭发动机的继承性强，无疑将成为未来深空探测特别是载人任务的理想动力。

仍然以载人登陆火星计划为例，以核热发动机为动力的火箭速度可以达到8.7×104km/h，是化学火箭的3倍，抵达火星的时间理论上可以减少到60天［5］。如果以相同的有效载荷和1年的任务时间来比较，则核热动力飞船在低地轨道上的总质量可以显著降低58%。这将明显增强任务的可实现性（表1）。

表1 地球火星往返飞行任务［7］Table 1 Mission of Earth-Mars roundtrip

在NASA于2002年进行的载人登陆火星计划空间推进方案论证中，对化学推进、核热推进、核电推进（包括VASIMR变比冲核电推进）等方案进行了广泛的比较，得出的结论是：在相同飞行时间下，化学推进的飞船质量太大，核电推进对比功率的要求太高，只有核热推进最为可行［8］。

即使不用于载人登陆火星任务，未来月球资源开发对地月间运输系统的时效性和运载能力也会提出越来越高的要求，如果以核热火箭发动机代替现在的化学火箭发动机，则飞船的有效载荷可增加30%，单程飞行时间可缩短至1～2天，1 kg有效载荷的费用可降低至2.2～2.5万美元［7］，这无疑将产生巨大的经济效益。

3 国外核热火箭发动机发展现状

核热火箭发动机的研究迄今主要是在俄罗斯（苏联）和美国展开的。两国的研究都始于上世纪四、五十年代，作为核武器研究的副产品而诞生。

3.1 美国的研究进展

美国原子能委员会（AEC）在ROVER计划下于1953年开始研发340 kN推力的核热火箭发动机，美国空军（USAF）于1956年加入该计划。而后随着1958年Atlas洲际弹道导弹的飞行成功，美国军方对核火箭发动机的需求不再迫切，NASA开始取代USAF主导ROVER计划［9］。

在ROVER计划的支持下，Los-Alamos实验室首先进行了一系列核反应堆（Kiwi-A/B）的原理性试验。在Kiwi-A反应堆中，氢气被加热到了约1900 K，验证了核热火箭发动机的工作原理。在Kiwi-B中，反应堆结构被设计为更接近适于飞行的方案（燃料元件由平板形改为六边形空心棒，中子慢化剂采用氧化铍代替重水，改变了功率控制机构的结构等）。Kiwi-B系列反应堆也成功进行了一系列的试验，其中的Kiwi-B4（图1）在Los-Alamos实验室的试验功率达到了1030 MW［9］。

图1 Kiwi-B4E反应堆［9］Fig.1 Kiwi-B4E reactor［9］

之后，ROVER计划转入NERVA计划（图2）的第一阶段，即将Kiwi反应堆转化成火箭原型发动机。该阶段诞生了NRX系列发动机，该系列发动机主要是应用了Kiwi-B4E的反应堆技术，燃料元件已不再使用氧化铀，而是改用碳化铀，工质温度达到了2200 K，发动机推力约225 kN。其中的NRX-A3试验功率达到了1165 KW，NRX-A5/6试验时间达到了62 min［10］。

从1965年开始，Los-Alamos实验室在Kiwi反应堆的基础上又进一步研发了更大功率的PHOEBUS反应堆（如图3），应用于NERVA计划的第二阶段。主要是改进了燃料元件技术，增大了反应堆尺寸（反应堆直径从Kiwi-B4E的90 cm增加到了140 cm，相应地增大了功率）。PHOEBUS反应堆经历了1A、1B、2A等阶段，最大功率达到了4082 MW，工作时间达到12.5 min［10］。

图2 NERVA核热火箭发动机［10］Fig.2 NERVA NTR engine［10］

图3 PHOEBUS-2反应堆［10］Fig.3 PHOEBUS-2 reactor［10］

此后，由于费用高且背景需求不明确，大功率的PHOEBUS反应堆项目不再持续。到NERVA项目结束的1972年，最后一台核火箭发动机NRX-ETS-1在1100 MW下总工作时间达到了3h 48 min，比冲825 s，推力33.4 t，重约6.75 t。如果进一步改用更高温度（2600 K）的燃料元件，比冲还可提高至900 s［10］。

1972年后，虽然大规模的核火箭发动机项目不再继续，但美国并没有停止相关技术的研究。这一时期的工作主要是发展结构更为紧凑的反应堆，并进一步提高反应堆工作温度和循环功率，最终成功发展出了颗粒催化床反应堆和金属陶瓷技术［10］。

进入21世纪以后，随着空间探测构想的提出，特别是载人登陆火星计划的兴起，核推进重新受到了重视，各种飞船及核火箭发动机设计方案也层出不穷。不过随着美国政府的不断换届及金融危机的爆发，这些计划方案都尚未见实质性进展［11］。

3.2 前苏联/俄罗斯的研究进展

前苏联在上世纪50年代就设计了用于洲际弹道导弹的核热发动机，初始采用NH3为推进剂，设计推力1255 kN，后也由于常规液体火箭发动机很快成功应用于洲际弹道导弹而终止。此后，随着载人登陆火星构想的提出，以及在低温液氢推进剂的研究上取得了进展，从1961年开始前苏联开始设计以液氢为推进剂的核热发动机，提出了多种设计方案，设计推力从30 t到600 t不等［7］。不过，设计方案虽多，但前苏联并没有像美国那样不计成本地开展大规模的核发动机试验，其研发更注重基础性研究，着重在元件或组件级别进行试验，最终进行整个反应堆原理样机试验。在1970至1988的18年间前苏联共进行了30次原理样机试验无故障，证明了核热发动机的设计方案是可行的，最后设计提供的RD-0410发动机样机（如图4），推力3.5 t，比冲900 s。1989年，前苏联还进行了新的火星探测器用核热及核电双模式发动机的研究，核热推进状态下推力20 t，比冲815～927 s，后随苏联解体而终止［7］。

图4 RD-0410试验发动机［7］Fig.4 RD-0410 test engine［7］

前苏联早期核热推进发动机的研制经验十分值得借鉴，其研究的指导思想十分明确，即核火箭发动机反应堆堆芯的非均匀性和模块化设计原则，以及对核火箭发动机系统的各部件（例如燃料组件、慢化剂、反射层、压力容器、涡轮泵、喷管等）分别进行包括可靠性验证在内的试验性研制原则，通过这些研制原则可有助于降低技术难度和研制成本。

苏联解体后，大规模的核热火箭发动机研制工作不再持续，但是与核热火箭发动机相关的研究工作并未停止。事实上，俄罗斯已经研制出工作温度高于3000 K的核元件材料［11］，这将有助于核热火箭发动机性能的进一步提高。此外，Koroteev在2007年发表的文章中还提到了一种设计功率340 MW的双模式空间核发动机，其工作温度为2900～3100 K，采用铀的碳氮化物作为燃料元件，室压6 MPa，真空推力6.8 t，真空比冲接近960 s［11］。这些研究工作的开展都表明，俄罗斯对于核热火箭发动机研究的关注并未减弱，甚至仍然保持在一个较高的水平上。此外，在俄罗斯航天局新的载人登陆火星计划中已提出了一项新的核热火箭发动机的研制计划，将斥资5.8亿美元，为期9年。

3.3 核热火箭发动机发展趋势

从美俄（苏联）核热火箭发动机的发展来看，早期追求的都是发展大推力的核火箭发动机，推力达几十甚至上百吨。这主要是从军用或大规模载人深空探测的目的出发。随着两国在核火箭发动机研发过程中逐渐遇到许多实际困难、军备竞赛和太空竞争需求的逐渐弱化、以及民众对地球环境保护呼声的日益提高。大推力、大气层内使用的核火箭发动机已经不可能有发展空间，大规模的大气层内核发动机试验也日益受到约束。因此，目前美俄两国核火箭发动机的发展均定位于相对较小的推力，用于适当规模的深空探测任务。

当用于无人深空探测器时，核电推进技术是恰当的选择。当需要进行载人深空探测时，从目前各种推进技术能提供的推力大小和技术成熟度来看，基于核裂变技术的核热火箭发动机是可预见的未来内最佳的选择。考虑到载人深空探测对于推力和能源系统供电能力均有较高要求，目前核热火箭发动机的一个重要发展趋势是开发双模式核热火箭动力系统。这种动力系统可在航天器需要大推力加速的情况下以火箭发动机模式工作。当航天器进入巡航工况时，动力系统转入发电模式工作，可以为航天器提供各种设备运行、飞船温度环境控制、推进剂管理和姿态控制所需的电能。

目前设计最为先进的双模式核动力系统当属前面提到的俄罗斯设计的340 MW核热火箭发动机，发电模式下可输出电功率50 KW。该发动机设计采用1个共用的核反应堆，推进模式和发电模式通过设计于中心部位的喉塞进行切换。推进模式下采用H2推进剂，发电模式下采用He-Xe 或H2-N2工作进行布雷顿循环［11］。这种共用反应堆的设计方案除了可双模式工作的优点外，还能够有效减少核热推进在启动和关机过程中的推进剂损耗，避免核反应堆过高的温度应力循环，加快核热推进工况的启动速度。当然，这种设计也带来了许多困难，反应堆结构和材料能否适应不同的循环介质，两种工况如何顺利切换，以及喉塞如何实现密封等。但不管怎样，这种双模式核发动机的设计方案应该说代表了核热推进发动机的先进发展方向。

4 我国载人登火发展设想

4.1 需求分析

典型登火模式将包括六个基本环节：地球出发、近火制动、火星下降、火星上升、火星出发、近地制动。

火星上升有效载荷按10 t估算、地球返回有效载荷按100 t估算，采用人货合运、地球一次出发，各环节推进剂需求量分配情况如表2所示。采用比冲300 s化学火箭方案登火需消耗的推进剂就达到5479 t左右，采用氢氧发动机推进方案登火需要消耗约1396 t推进剂，使用核热推进+常规推进方式登火需要消耗454 t左右的推进剂。如果采用人货分运、地球多次出发模式，使用“核热推进+常规推进”方式登火估计地球出发规模约700～800 t。

表2 载人登火推进剂分配Table 2 Propellant mass distribution in manned Mars mission/t

4.2 任务规划

参考当前正在论证的DRA5.0版载人火星计划核热火箭发动机技术方案［11］，提出现阶段载人登火方案，与美国基本类似。按照地球出发规模约700～800 t考虑，共需7～8次发射，在近地轨道进行五次对接。

1）由重型运载火箭1将核热推进奔火变轨级1送入近地轨道；

2）由重型运载火箭2将核热推进奔火变轨级2送入近地轨道；

3）由重型运载火箭3将轨道舱1（火星着陆下降器和上升器）送入近地轨道；

4）由重型运载火箭4将轨道舱2（火星表面生活舱和火星车）送入近地轨道；

5）由重型运载火箭5将核热推进奔火变轨级3送入近地轨道；

6）由重型运载火箭6将液氢贮箱送入近地轨道；

7）由重型运载火箭7将载人摆渡航天器（含飞船2）送入近地轨道；

8）由载人火箭将载人飞船1送入近地轨道。

将1）和3）在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级1将轨道舱1送入奔火轨道，轨道舱1与奔火变轨级1分离，之后由轨道舱1制动、气动减速将下降器和上升器送入环火轨道，下降器和上升器着陆火星表面；将2）和4）在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级2将轨道舱2送入奔火轨道，轨道舱2与奔火变轨级2分离，之后由轨道舱2制动、气动减速将火星表面生活舱和火星车送入环火轨道，等待后续入轨的载人飞船；将5）、6）、7）、8）依次在近地轨道对接，宇航员由载人飞船进入摆渡飞行器，由核热奔火变轨级3（和液氢贮箱）将载人摆渡航天器和载人飞船送入奔火轨道、环火轨道。载人摆渡飞行器和先入轨的火星表面生活舱在环火轨道对接，生活舱与摆渡飞行器其他部分分离，之后生活舱和飞船2降落在火星表面。

完成使命后，航天员通过火星上升级和飞船2进入火星轨道，并与载人摆渡航天器其他部分和载人飞船1进行交会对接。返回地球之前，宇航员进入载人飞船1，与摆渡航天器分离，直接再入地球。

4.3 核热推进初步设计

从现有航天技术条件评估，载人登陆火星核热火箭最大的技术难点在推进系统。2012年起，北京宇航系统工程研究所开始规划论证载人登陆火星用核热推进系统，提出了发动机单机推力约45吨的核热火箭发动机设计要求。根据这一需求，结合美国DRA5.0方案［11］，可以初步计算得到表3所示我国核热火箭发动机大致的设计参数。

表3 载人火星任务用核热火箭发动机设计参数Table 3 Design parameters of NTR engine in manned Mars mission

根据以上设计参数，比照我国现有低温发动机水平，可认为核热发动机工作参数没有超过现有的技术水平。在与核能相关的方面，主要包括反应堆、反应性控制机构和辐射屏蔽结构等。初步分析表明，在反应性控制机构和辐射屏蔽结构方面，国内具备一定的技术基础。然而，在核热发动机的反应堆领域，我国与国外的差距是巨大的，突出反映在反应堆燃料棒材料的耐高温、耐热冲击、材料相容性以及反应堆的传热结构设计等方面。特别是在反应堆燃料棒材料领域，国外已经发展了第三代的三元碳化物技术，我国还只具备第一代的核电站用二氧化铀技术水平。

总的来看，核热火箭技术研究涉及领域广泛、技术难度大，要想获得实质性的技术成果，为我国未来的载人深空探测等任务提供技术支持，还必须制定长期发展战略，并下大力气开展研究工作。对此，笔者建议提出关于我国核热火箭发动机研究的2035年规划。按照航天研制模式——方案、初样、试样流程，该规划可考虑分四个步骤开展：

1）2016—2018年，进行核热火箭总体需求及方案论证，开展发动机及核反应堆先期关键技术攻关研究，重点突破耐高温（3000 K）反应堆元件材料的研制，实现电加热条件下核热火箭模拟演示试验；

2）2019—2025年，开展核热火箭各组件和分系统关键技术攻关研究，实现氢介质条件下的反应堆台架试验（加热温度至3000 K）；

3）2026—2030年，研制核热火箭原理样机，实现全系统集成原理演示验证试验；

4）2031—2035年，研制核热火箭工程样机，完成工程样机全系统验证试验。

以上步骤根据我国航天及核工业技术水平同步发展，笔者认为具有现实可行性。

5 结论

核热推进相比于化学推进、电推进具有大推力、高比冲等优势，是未来载人登陆火星推进技术的首选。美俄两国从上世纪50年代开始研制核热火箭积累了雄厚的技术基础，研制经历表明发展核热/发电双模态推进技术是未来发展方向。从我国航天实际技术水平出发，载人登火可以采用近地轨道5次对接、人货分离任务架构，在此架构基础上设计的单台推力15 t、比冲940 s载人核热发动机满足总体任务需求。空间反应堆是核热火箭研制的关键技术，建议我国实施20年、四步走的实施计划，力争2035年实现利用核热火箭载人登陆火星。

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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

洪刚（1979-），男，硕士，高级工程师，研究方向为宇航动力系统总体技术。E-mail：11268525@qq.com