核热火箭应用前景与展望

2015-12-26张承志王国庆代坤汪小卫中国运载火箭研究院研究发展中心

国际太空 2015年9期

张承志王国庆代坤汪小卫（中国运载火箭研究院研究发展中心）

空间活动的核心是推进系统，单位质量推进剂在单位时间内能够获得的能量及其能够持续的时间，直接决定能够开展的空间活动的范围与规模。目前采用的推进方式包括化学推进和基于太阳能的电推进均有其自身的不足，不能满足日益发展的航天活动的需要。相对化学推进及电推进，核热火箭兼具比冲高、推力大的优势，可满足更大规模的深空探索需求，是未来航天运输系统及航天动力技术发展的重要方向。

1 核热火箭概念及原理

核热火箭根据反应类型不同分为核裂变火箭和核聚变火箭。核裂变火箭采用具备极高能量密度的核热反应堆为能量源，以氢等小分子量的气体为工作介质，理论比冲能够达到1000s。工作介质流过核热反应堆吸收能量，产生高温高压的气体，气体进而膨胀高速喷出，产生推力。

核热火箭主要包括两大部分：总体部分（贮箱、增压输送系统、涡轮泵及喷管）和核反应堆部分。

核裂变火箭发动机原理

核聚变发动机工作原理

核聚变火箭的原理是采用等离子体喷射流技术，将等离子体流注入火箭喷嘴，在强大磁场作用下引发核聚变产生足够能量，迅速加热并导致锂金属外壳在磁场控制下的喷嘴区域蒸发，高速（＞30km/s）喷出火箭喷管从而产生推进动力，比冲能达到2400～5700s。

2 国内外发展现状及发展趋势

纵观核热火箭动力方面的研究，主要集中在美国和苏联/俄罗斯，两国几乎同时在20世纪50年代中期启动核热火箭发动机研究计划，虽经历多次起伏，但仍然取得了巨大成就，为空间应用奠定了坚实的基础。

美国

自1955年以来，美国政府实施了多个核火箭计划，其中最著名的便是“核火箭开发计划”（ROVER）和“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”（NERVA），另外还有“空间核热推进计划”（SNTP）、“太空探索倡议”(SEI)计划、“普罗米修斯计划”、“载人登陆火星计划”以及一些新概念。

美国于1955年启动了“核火箭开发计划”，1955-1960年间，在内华达州核试验场的核火箭开发中心建立了大型的核火箭实验基地，进行了14个不同系列反应系统部件和发动机组件的热试车。

美国典型核热火箭发动机性能

“核火箭开发计划”中的核热火箭发动机结构示意图

1962年，美国基于载人月球探测工程启动了用于空间推进的核火箭发动机研制计划“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”。利用“核火箭开发计划”的成果进一步研制一套推力35t、比冲不低于825s、持续工作时间超过1h的飞行样机。在1962-1972年间，共进行了6次发动机和整个推进系统的热试车，考核其各种工作性能。

1989年，美国总统布什发布了“太空探索倡议”，美国航空航天局（NASA）认为核热火箭是探索火星的比较理想的推进动力选择。2003年，美国制订的新太空政策中提出了利用核动力推进航天器探索火星的普罗米修斯计划，大力加强核能推进的研究。2004年，小布什政府提出载人登陆火星的愿景后，NASA以火星表面着陆任务为焦点开展了一项《载人火星探索设计参考架构5.0》（DRA 5.0）研究。该研究设想宇航员在火星上停留约540天，深空飞行时间为1年，并选择核热火箭作为推进系统。

2010年，奥巴马政府的新《国家太空政策》提出，到2030年代中期，把宇航员送到火星轨道上并使之安全返回地球，NASA将核热火箭选定为首选的载人火星探测推进方案。2012年初，NASA与美国国家研究理事会公布了研究结果《空间技术路线图与优先任务》，选出16个最重要的技术发展领域，作为未来NASA预算投资的指南，核热火箭被列入其中的显著位置，并在2012-2014年开展了核低温推进级（NCPS）项目，分别对基于“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”衍生燃料和金属陶瓷燃料开展反应堆设计。

2011年以来，华盛顿大学的科学家与空间推进研究公司(MSNW)开展了一项新型核聚变火箭技术的研究，并称有望将载人火星航行变成现实。华盛顿大学提出的核聚变转移飞船前往火星计划已经有了详细的计算机建模和初步实验结果，并正在进行第二轮研究计划。目前已经在实验室中实现了整个过程的测试，现在正在进行整体试验验证，并实际检验核聚变的技术方案。

2014年底，NASA确定了近期以技术成熟的石墨基体复合燃料为主，未来以高性能Cermet燃料为主开展核火箭发动机的进一步研究。在2015年2月召开的空间核及新兴技术会议（NETS）上，NASA研究人员提出在2020年左右研发出33kN推力（可拓展至73～110kN）的石墨基体复合燃料发动机，计划于2024年开展地面测试，并在2025年执行月球flyby任务。基于Cermet燃料的发动机用于执行2031-2033年的火星货运任务，以及2033-2035年的载人探测火星任务。

苏联/俄罗斯

苏联对于核热火箭推进的研制历程比较平稳，持续时间也较长。从1953年开始，多家研究院、设计局、实验室均参与了研究、设计和试验，建立了大型核发动机试验基地，研制了多台不同推力/不同结构方案的核热火箭发动机并开展大量的试验，取得了重大成果。

苏联/俄罗斯一些主要的核热火箭发动机有：No.456设计局研制的固相核热火箭发动机RD－401、402、404、405、0410、0411、600等。在数十种设计中，开发程度最高的是RD-0411（推力约392kN）和RD-0410（推力约35kN）。在各类设计基础上，俄罗斯建造了全尺寸的RD-0410核火箭发动机原型装置，并在著名的“贝加尔”试验台架上完成了全尺寸核热火箭系统反应堆的几个系列试验。

RD－0410核火箭发动机

俄罗斯还提出用乙烷作推进剂添加剂，降低氢气对燃料元件的侵蚀。为满足火星探索任务要求，俄罗斯在RD－0410基线设计基础上开发了双模式（推进/电源）系统（NPPS）。

2007年4月，俄罗斯电力技术研究与设计院发起召开了一次有多部门参加的研讨会，会议决定将核热火箭发动机设计工作的重点放在开发一种核动力双模式系统陆地原型装置上，其电功率为100～500kW。与此同时，电力技术研究与设计院与哈萨克斯坦国家核中心的核动力院一起，启动了IVG－1反应堆的升级改造工作，使许多部件、系统的寿期试验成为可能，包括燃料元件、堆芯部件、发动机系统等。

苏联/俄罗斯典型核热火箭发动机性能

俄罗斯联邦航天局2009年10月28日宣布开发装备兆瓦级核热动力装置的载人飞船，旨在实施大规模空间探索计划，使俄罗斯航天技术提高到一个全新的水平。俄罗斯联邦航天局局长安纳托利·佩尔米诺夫指出，为载人航天器开发兆瓦级空间核热动力系统（MCNSPS），对于俄罗斯维持空间竞赛优势（包括月球探索和火星探索）至关重要。俄罗斯科学家指出，空间核热动力系统和核发动机系统开发工作下阶段的方向是：保持俄罗斯在空间核技术领域的领先地位，维持独特的实验与工业技术基础和科学中心及有关企业的基础能力。

国外发展趋势

（1）模块化、小型化

美俄重点发展推力30～100kN、比冲900s以上的核热火箭发动机。将多个这种规模的核热火箭发动机捆绑使用，可以满足不同的任务需求。在具体研究方案上，将核热火箭发动机的组成部分进一步模块化、小型化，减小系统重量，对各模块进行单独试验，并注重采用非核试验方式，降低试验难度，节省研制费用。

（2）开发新型核燃料

在核热火箭发动机所用的核燃料方面，俄罗斯大力发展三元碳化物燃料及碳化物-氮化物燃料，美国则重点研发石墨基体燃料和钨金属陶瓷燃料，更高性能的核反应堆燃料对核热推进技术研究可以起到重大推动作用。

（3）双功能模式

在核热火箭发动机中附加一个发电模块，可实现推进/发电两大功能，一方面可直接用于核热火箭推进，另一方面也可为航天器提供充足的电力供应。此外，也可在航天器上增加电推进系统，在脱离星球引力时使用具有高推重比的核热推进方式快速加速，在行星际间飞行时则切换为具有高比冲的电推进方式，这样可以延长反应堆的寿命，从而实现更远距离的探测任务。

国内发展现状

早在1949年，钱学森先生就提出了发展核热火箭的设想，并就核热火箭开展了一些基础研究。时至今日，相比国外的研究成果，我国的技术基础尚浅，还需要进行大量的研究工作，以突破相关关键技术。虽然核热火箭技术的研究基础较为薄弱，但我国反应堆工程技术基础却比较雄厚。以中国原子能科学研究院为例，其在反应堆的堆芯物理实验及理论计算和分析、反应堆热工试验及计算和分析、反应堆结构、反应堆材料、反应堆的各个系统和设备等方面开展过大量的工作，具有丰富的实践经验和雄厚的技术基础。

3 工程应用制约因素

技术层面

未来将核热火箭动力应用于工程研制中，尚存在以下关键技术需要解决，主要涉及到核热火箭总体技术、核热火箭发动机技术、核反应堆技术和核反应系统环保技术等。

（1）运载器总体技术

核热火箭不同于传统化学火箭，需要研究核热火箭动力在航天运载器上的应用模式，开展基于核热火箭动力的航天运载器方案研究。具体研究包括：核热火箭总体指标论证、总体布局优化、总体参数论证，各部段和主要分系统方案论证，核热推进火箭工作性能仿真和优化，核热推进火箭核热和能源系统一体化研究，核热火箭增压输送优化设计技术。

（2）核热发动机技术

在核热火箭发动机中，传统化学推进的燃烧室内换成了高能量的核反应系统，推力室和工质增压输送管路的构造发生了明显变化，需要重新设计，开展与核反应系统适应性的优化设计，以及满足核反应系统高效热交换设计等。

（3）核反应堆相关技术

复杂的燃料元件和堆芯结构首先给核反应堆的设计带来了较大的挑战，核热火箭堆芯内的温度变化范围较大，核燃料需要经受急剧的温度变化，各种材料与冷却系统要有较好的相容性，这进一步加大了设计的困难。核热火箭动力应用于航天运载器，要求其核反应系统在很短的时间内达到满功率运行，并且在关机时减小后效，对自动控制技术提出了很高的要求。另外，核反应系统小型化和模块化设计也是设计的难点。

（4）核反应系统环保技术

寻找轻质的高性能屏蔽材料、优化全系统的辐射屏蔽结构，避免射线对航天员或电子设备的辐照，是核热火箭设计中必须面对的难题。核热试验要在密闭的环境下进行，喷管喷出的工质和从反应堆流出的冷却剂具有一定的核污染，需要采用特定技术进行隔离回收处理。

政策层面

美国“用于空间推进的核火箭发动机的研制计划”取得了巨大的成功，通过开展6次核热火箭发动机热试车，考核了各项工作性能，发动机及其系统的设计不断得到完善，验证了技术可行性和结构完整性、可靠性以及多次启动能力，完全具备开展样机飞行试验的技术基础，但最终还是在1972年停止，原因就在于美国国家政策层面决定探月工程采用化学推进形式而不是核热火箭推进。在完成探月工程后，NASA将发展重点调整为行星际无人探测器，仍然采用化学推进作为动力，使核热火箭的研究工作再次失去了需求牵引，缺少政策和财政支持。

20世纪90年代初至21世纪初，由于冷战的结束，空间发展因为没有竞争而失去了强劲推动力，美国国家政策层面再次中断核热火箭动力的研制投入，使核热火箭发动机的研制也一度陷入停顿。

苏联不但成功进行了燃料元件和燃料组件的地面全规模试验，而且设计开发了核热火箭发动机原型装置并开展了地面试验，完全具备开展样机飞行实验的技术基础。但到了1980年前后，由于受到美国选择化学推进作为探月工程推进形式的影响，苏联停滞了大规模的核热火箭研究/研制/试验工作。随后苏联的政局开始动荡、财政窘迫，无力重启核热发动机的研制工作。

法律层面

核热推进不同于传统化学推进，其自身携带核反应系统，涉及到核安全的问题。运载器从地面起飞到入轨过程中若发生事故，核反应系统残骸的陨落将可能带来核辐射污染问题；运载器入轨后，核热末级在轨运行，也涉及到国际空间核安全相关法律法规的问题。

核安全相关的法律限制也是核热火箭动力转向工程应用的主要因素，如1992年《关于在外层空间使用核动力源的规定》中明确提出只能使用U－235燃料，且核反应堆可用于行星际航天任务、足够高的轨道或任务执行完毕后存放在足够高度的低地球轨道；在到达工作轨道前不得进入临界状态；确保在到达工作轨道前发生一切可能事件时均不能进入临界状态。

2009年《外层空间核动力源应用安全框架》涵盖了发射、运行和飞行过程各阶段在核安全方面的指导意见，并补充规定了空间使用核动力源在制造、测试和运输等地面活动阶段中不得进入临界状态。

4 未来应用设想

应用于重型火箭末级

核热末级重型运载火箭方案可以现有的重型运载火箭方案为基础，助推器、一级和二级的方案基本不变，芯三级则采用核热火箭发动机，以液氢作为热交换和做功工质。采用核热末级的重型运载火箭具备发射地球轨道大型载荷的能力，可以有力支撑完成地球轨道大型平台的建设，如装备大型深空望远镜、空间太阳能电站，还可以支撑完成后续更大规模的载人登月以及月球基地的建设任务。

应用于轨道转移飞行器

随着航天技术的发展和未来对空间利益的争夺，我国在航天运输领域对轨道转移飞行器动力的在轨能力和速度增量提出了更高的能力需求，核热火箭动力具有长期在轨能力强、速度增量大、飞行时间短等优势，正好适应了这种能力需求。以核热火箭作为轨道转移飞行器的动力，可以支撑完成后续轨道机动平台部署和在轨飞行器空间转移等任务。

应用于探测火星等深空探测任务

深空探测是一个国家航天技术能力的象征，是提升国家政治影响力的有效途径，美国和俄罗斯均开展了大量的火星探测等深空探测研究工作。开展深空探测任务需要具有高性能空间运输能力的运载器，核热火箭动力将核能转化为热能是核能利用效率的最高的推进方式，可实现半年内载人登陆火星，是可预见的未来深空探测的首选，其空间应用将帮助人类以更小的代价实现更大规模的空间探索活动。