核热推进运载火箭技术发展综述

2017-11-01徐友涛中国运载火箭技术研究院

国际太空 2017年9期

关键词：堆芯核聚变火箭

徐友涛（中国运载火箭技术研究院）

核热推进运载火箭技术发展综述

Development Review of Nuclear Thermal Propulsion Launch Vehicle Technologies

徐友涛（中国运载火箭技术研究院）

文章首先简要介绍了核热火箭推进系统的原理、组成和应用价值；综述了国际上核热推进火箭技术的发展和应用情况；对我国在总体技术和核热反应系统技术方面开展研究的现状和相关技术基础进行了介绍，并初步梳理了发展核热推进运载火箭所需要解决的关键技术。

1 引言

核热推进是一种高效的推进方式，采用具备极高能量密度的核热反应系统为能量源，根据反应类型分为核裂变和核聚变两种方式。

核裂变反应推进的基本原理是：采用工作介质流过核热反应系统（反应堆）吸收能量，产生高温高压的气体，然后通过喷管被加速到超音速，从而产生推进动力。核裂变推进运载系统主要包括两大部分：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。

与传统的基于化学能的火箭推进系统相比，核裂变推进系统突出的优点是比冲高。核裂变推进发动机比冲与工质的加热温度与其分子量比值的平方根成正比，工质分子量越低，发动统计比冲越高。当采用氢作为推进工质时，理论上比冲能够达到1000s。由于比冲高，完成相同的空间飞行任务，核裂变推进系统所携带的推进剂质量仅为氢/氧火箭发动机推进剂质量的1/3，而所需的运输系统成本不到氢/氧火箭发动机的44%。与电推进动力相比，核裂变推进推力有数量级的增大，更适合作为各类航天运载器的动力。

核聚变火箭原理的初步设想是采用等离子体喷射流技术，将等离子体流注入火箭喷嘴，聚变系统中会形成强大的磁场，在磁场中的等离子体周围使用金属环内爆，等离子体在各层金属环（锂金属）结构控制的压力室内被压缩，从而对等离子体施加强大的向心压力，进而引发核聚变。周围的金属环形成一个外壳激发核聚变的发生，点燃核聚变的过程仅几微秒，将能量突然释放出来。尽管只有这么短的压缩时间，但发生的核聚变作用可以产生足够能量，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、离子化。此时在超高温下蒸发的金属外壳便会被高速喷出火箭喷口，从而推动火箭前进。

固体金属锂推进剂不需要很大的贮箱，锂被迅速加热，并加速到非常高的喷出速度（>30km/s），因此比冲能达到2400～5700s，同时高温电离的推进剂与飞行器本身没有物理接触，避免了对火箭的破坏，并使热载问题得到限制。

由于核热推进系统的上述优点，将其作为航天运载器（火箭，特别是火箭末级、轨道转移级等）的动力系统，可以明显提高运载器的性能。核热推进系统的推力仍需要大幅提高，才能满足火箭基础级对发动机推力的要求，近期来看，更适合作为火箭末级、轨道转移级的动力。以重型运载火箭为例，如将氢氧末级改成以液氢为工质的核裂变热推进末级，其运载能力可实现翻番。

核热推进系统具有比冲高、结构相对简单的特点，作为运载火箭或空间轨道运输级的动力可以大幅提高运载器的性能，满足深空探索的需求向更远的深空拓展，是未来航天运输系统及航天动力技术发展的重要方向之一。从推动航天动力技术发展、支撑航天运输系统发展的角度考虑，有必要以总体需求为牵引积极开展核热推进及其应用技术的研究。

2 国外发展及应用情况

纵观核热推进方面的研究，主要集中在美国和苏联，两国几乎同时在20世纪50年代中期启动核热推进发动机研制发展计划。数十年来，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。近年来由于载人火星等计划的实施，美国部分研究机构提出研究核聚变火箭方案，并已开展部分原理性试验。

美国

(1) 核裂变推进

1955年，美国启动了“核火箭开发计划”（ROVER），于1955－1960年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试验基地，成功开发了石墨蜂巢多孔棱柱型固相核火箭发动机，共进行了14个不同系列反应系统部件和发动机组件的热试车，核裂变功率量级从500～5000MW（大致相当于推力100～1000kN），为发动机整机研制奠定了基础。

随后，美国开展了载人月球探测工程，于是美国又启动了用于空间推进的“运载火箭用核发动机”（NERVA）研制计划。利用ROVER计划的成果进一步研制一套推力350kN、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，美国共进行了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。通过这些试验，发动机及其系统的设计不断得到完善，进行了除飞行试验外的各种试验，验证了技术可行性、结构完整性、可靠性以及多次启动能力，完全具备了开展样机飞行试验的技术基础。

20世纪80年代，美国国防部和战略防御计划局设想使用核推进作为拦截弹道导弹和空间轨道转移动力，提出了“粒子床反应堆芯”（PBR）概念，并通过一系列小型的试验证明了概念的可行性。而后，在此基础上设计了一种更紧凑、超轻的微型反应堆发动机（MITEE），尽管20世纪80至90年代初期间没有如ROVER计划和NERVA计划期间开展的大型地面试验，但发动机工作原理机制得到了更深入全面的把握，并在部组件技术上得到了进一步的发展。

1989年，时任美国总统乔治·布什发布了“太空探索倡议”（SEI）。在综合各方面信息后，美国国家航空航天局（NASA）认为核热推进是探索火星的比较理想的推进动力选择。1990年，美国国防部、能源部和NASA组织了一个工作小组，对各种核热推进方案进行了评价，最后认为NERVA计划衍生反应堆（NDR）、“金属陶瓷燃料”（CERMET）快速反应堆和独联体扭曲带三元碳化物燃料三种方案最有发展前景。

NDR是以NERVA计划中的技术为基础加以改进而得到的堆芯方案。CERMET的燃料不再采用UC2颗粒，而是改用熔点更高的二元碳化物（U,Zr）C的固溶体弥散于石墨基体中，提高了工质的最高温度。其元件形式和燃料在核火箭发动机研制计划中分别进行了验证，因此被认为是研究费用最少、最可能实现的堆芯方案。

CERMET设计思想来源于20世纪60年代通用电气设计的一个快中子堆概念。该燃料与其他核推进有很大的不同，它采用的是将裂变材料UO2均匀弥散到难熔金属（钨、铼、钽等）基体中的形式。这种燃料对裂变产物有较强的包容能力，与高温氢气的相容性较好，有较长的寿命和多次启动的潜力。CERMET的一个不利因素是燃料装量大，并且由于金属基体的密度较大，使得整个堆芯的质量较大。

独联体方案是由美国和独联体的航空喷气公司（Aerojet）、能源池公司（Energopool）和宝华韦健公司（B&W）组合联合队伍，以苏联的核热推进技术为基础提出的。它采用以氢化锆为慢化剂，三元碳化物（UC-NbC-ZrC）为燃料的非均匀堆设计。该方案的燃料组件采用的是轴向流道设计，在长度方向上由若干个燃料棒束组成。燃料的成分可沿燃料组件长度变化，以调整轴向功率分布。燃料组件的数目和长度由需要的推力和氢气排气温度决定。

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”（Prometheus）计划，大力加强核能推进的研究。开展研制安全保障的核裂变发动机（SAFE）试验系列是美国正在进行的一项中长期发展计划。该计划采用三阶段发展战略，其最终目标是发展核推进以使人类能够快速经济地访问太阳系内的任何地点。

虽然核热推进计划一直在提出，但美国近期没有进行过实质性的核热推进发动机的试验，仅是几个实验室在从事燃料、材料等方面的研究。像NASA格伦研究中心目前集中于发展小型的核热推进系统（推力为60～100kN），测试一些耐高温的碳化物、碳氮化物、金属基体等形式的燃料。而马歇尔研究中心则在使用电弧加热的方式模拟核热推进系统堆芯的高温氢气环境，测试各种材料性能、可靠性、持久性等。

（2）核聚变推进

聚变能量极高，聚变中氚是放射性元素，但其半衰期短（12年，铀的同位素半衰期需数亿年到数十亿年不等），放射性污染也相对少，比起裂变碎片的放射性处理简单很多。因此，核聚变能源的清洁等优点吸引了科学家为之数十年不懈的努力，将核聚变能源作为动力发展星际旅行就变得极具诱惑力。核聚变理论的提出已经有数十年，世界上有一部分科学家对这种核动力的火箭系统也非常看好。2009年，英国《新科学家》杂志就在文章中预测这种核聚变动力火箭系统数十年后有可能实现。

2011年以来，华盛顿大学的科学家与空间推进研究公司（MSNW）正在进行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。依照目前人类现有的化学燃料技术，完成一次火星往返任务至少需要4年，如果核聚变动力真的成为现实，这趟行程30～90天就可以完成。

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试验结果，并正在进行第二轮研究计划。所设计的核聚变火箭只需要质量很低的核材料，一粒沙子大小的核材料所提供的能量约为3.8L的火箭燃料。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。研究组设计和生成一种特殊的等离子体，其被自身的磁场束缚。当这些等离子体在磁场中受到强烈压缩时便会发生核聚变。

华盛顿大学已经完成了对金属卷的汇聚、原理可行性分析和三维模拟，一个系统级模型以及初步推进系统设计已完成，考虑了载人和不载人两种任务。第二阶段研究将重点放在获得核聚变推进火箭（FDR）技术发展的3个关键准则：①核聚变推进火箭的物理过程需要完全地弄清楚和得到验证；②全面给出核聚变推进火箭在空间应用的设计和技术发展；③完成基于核聚变的火箭总体设计和飞行器整体设计的深入分析以及任务架构。一个缩比的、实验室的金属衬压缩测试设备将采用充分的动力能量（约为0.5MJ）来使其达到聚变状态。金属衬汇聚的研究将在金属衬压缩验证测试后。一个完整的核聚变推进火箭和飞行器的设计包括：概念描述，所有分系统的方案、成本、技术成熟度（TRL）评估。任务设计架构分析将检验一个宽范围的任务架构以及这种核聚变推进系统的研究目标。

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年开始的近30年时间里，苏联的多家研究院、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，并开展了大量的试验，取得了重大成果。

一些主要的核热火箭发动机有：第456设计局研制的固相核火箭发动机RD-401、402、404、405，化学自动化设计局研制的RD-0410核火箭发动机，建造了RD-0410核热推进系统的试验样机，在著名的“贝加尔”（Baikal）试验台架上完成了全尺寸核热推进系统反应堆的几个试验系列，验证了建造核热推进系统和双模态空间核动力系统的可行性。第456设计局还开展了基于气相反应堆的核火箭发动机RD-600的试验研究，比冲可达2000s，只是产生的理论和工艺问题太多，尚需继续深入进行。20世纪60年代初，第一设计局最早提出载人绕月考察方案，曾准备采用核火箭发动机，包括单级弹道火箭RP-1和两级混合型火箭RXP-II，提出的核火箭发动机推力为1400kN。这些大规模的研究、研制、试验工作一直持续到1980年前后。作为苏联继承者的独联体继续开展了一些核热火箭的研究工作，建立了反应堆采用非均质设计、减速剂使用氢化锆、燃料用三元碳化物的核热火箭方案，其设计比同期美国的几个方案无论在性能上还是在寿命上皆有优势。

小结

通过研究美国和俄罗斯几个有代表性的核裂变热推进系统的主要设计参数，可以看出，早期设计的核热推进系统虽然推力较大，但由于堆芯功率密度和燃料最高工作温度较低，从而造成了发动机系统的体积和质量较大，比冲较小，性能指标不高，很难与航天器系统兼容匹配。因而，美国和俄罗斯相继放弃了推力100kN以上的核热推进系统的研制计划，转而发展推力几万牛顿，功率密度更大、比冲更高、体积和质量更小的核热推进系统。就具体堆芯设计而言，堆芯方案都从均匀化堆芯转向了非均匀化堆芯设计，并且将堆芯的主要部件模块化。

国外核热裂变推进系统设计参数对比

国外的核裂变推进系统技术的发展趋势可以总结为：①小型化，发展功率密度较高、体积和质量更小的核热推进装置，具有更高的推重比。②模块化，将核热推进装置的组成部分模块化，可以对各模块进行单独试验，降低试验难度，节省研制费用。③双模式，在核热推进中附加一个发电模块，可实现推进、发电两大功能，特别适用于载人航天任务。

核热推进经过半个多世纪的发展，因为其所涉及的理论和技术问题相当广泛，需要的投入巨大，所以发展不是一帆风顺的，还受到国际国内环境、财政情况等的制约和影响。尽管如此，核热推进技术还是得到了巨大的发展，其中的固相核热推进技术已经具备了开展空间飞行验证试验和空间应用的技术基础。国外针对核热推进技术一直在开展研究，取得了巨大发展。另外，美国近年来在聚变推进原理和基础技术上取得突破，并在不断投入开展研究工作，并设想应用于未来载人火星计划中。作为航天大国，我国也应该大力并持续发展核热推进技术。

3 国内研究现状及相关技术基础

相关研究取得的进展和所具备的技术基础

我国在核热火箭的研究方面还主要集中在核裂变推进上。早在1949年，钱学森就提出了发展核火箭的设想。之后，我国在核火箭方面做了一些初步的研究，但截至目前，我国的核热推进装置主要处于跟踪研究的阶段，且主要集中在核反应堆技术研究方面，相关总体技术刚刚起步。

在核热推进涉及到的液氢推进剂的应用技术方面，无论是运载火箭中液氢推进剂贮箱和增压输送系统的设计、研制，还是液氢推进剂发动机的设计、研制，我国已具备了丰富的经验。我国现役火箭型号中，长征－3A（CZ－3A）系列运载火箭的三级使用了液氢/液氧推进剂，在新一代运载火箭中采用液氢推进剂。因此，我国已掌握液氢推进剂的应用技术，并可作为进一步发展的基础，应用于核热推进系统总体技术中。

我国有针对性地开展了核火箭方面的研究，主要包括核火箭工作原理和总体结构研究，另外还有核火箭发动机的总体概念研究和反应堆物理热工分析，主要进行了发动机堆芯的概念性设计。但相比国外的研究成果，我国的技术基础尚浅，还需要开展大量的研究工作，突破相关关键技术。

需要突破的关键技术

未来将核热推进应用于航天运输系统中，尚存在以下关键技术亟待解决。

（1）总体技术

1）基于核热推进航天运载器方案和应用模式研究；

2）基于核热推进航天运载系统的总体技术；

3）低温推进剂长时间在轨贮存技术；

4）推力量级的确定。

（2）核热发动机技术

1）热核推力室技术；

2）推进工质输送及管理技术；

3）试验技术。