空间核动力推进技术成为国际研发热点

相对于化学推进和太阳能电推进技术，空间核动力推进技术具有高能量密度、高比冲、长工作时间等优势，可极大加强人类空间探索能力。近年来，随着科技的持续进步，空间核动力推进技术得到主要核工业国家的高度重视，成为国际研发热点。美国、俄罗斯、英国和法国等国均积极推进相关技术研发，美国还设定了2027 年完成核热推进系统空间示范的目标。

1 主要在研空间核推进技术

各国正在研究的空间核动力推进技术主要分为两种：核热推进和核电推进。

核热推进系统使用的动力源分为两种：裂变堆和聚变堆。在裂变堆系统中，裂变堆产生的热能将工质（例如氢）加热至高温高压，从喷嘴高速喷出，进而产生推动力，具有推力大、比冲较高（800～1000 秒）等优势。在聚变堆系统中，聚变反应会产生由带电粒子组成的等离子体，通过使用旋转磁场，能够将这些高能粒子转化为推动力。这一系统无需任何工质，是空间飞行器的理想动力选择，因为其可以提供几乎无限的清洁能源，且结构相对紧凑。

核电推进系统使用的动力源也分为两种：裂变堆和放射性同位素电力系统。裂变堆核电推进系统利用反应堆产生的热能发电，为电动推进器供电，将工质（例如氙）电离并高速喷出，进而产生推动力，具有超高比冲（3000～10,000 秒）、推力较大等优势。放射性同位素电力推进系统是一种低功率系统，用于为小型卫星提供动力，具有寿命长、体积小、结构紧凑、比功率高、可靠性强等优点，有助于降低小卫星质量，并提供持久动力，保障卫星不会因动力问题过早退役。

2 美国

美国政府正在为大力推进三种空间核推进技术研发提供资助：裂变堆核热推进、裂变堆核电推进和放射性同位素电力系统推进。其中第一种技术研发进展较快，有望2027年完成空间示范。

美国白宫2020 年12 月发布《空间核电源与核推进国家战略备忘录》（SPD-6），指定了重点研发的三种空间核动力技术：核热推进技术、为空间飞行器或星球地表装置供电的裂变堆，以及为空间仪器仪表供电的放射性同位素电力系统。该备忘录还规定，在空间核电源和核推进系统中，高浓铀的应用仅限于其他核燃料或非核动力源无法胜任的场景。这意味着美国空间核动力系统将优先考虑高丰度低浓铀燃料。

2.1 核热推进技术

开展了数十年研究后，美国国家航空航天局在2009 年的一份文件中指出，对于火星载人航天飞行，核热推进系统是最佳动力选择。因为该系统的推力可达核电推进系统的1万倍，比冲可达化学火箭的2～5倍。

美国防部国防高级研究计划局和航空航天局目前均在支持相关企业和机构开展核热推进系统研究，前者关注地月飞行器，后者关注深空探索飞行器，且均在近期向相关企业授予示范系统研发和制造合同，将核热推进系统研发从设计推进到制造阶段。

2.1.1 国防高级研究计划局

国防高级研究计划局2020年启动分三阶段的“敏捷地月空间行动示范验证火箭”（DRACO）项目，目标是完成使用高丰度低浓铀燃料的核热推进系统空间飞行示范；2021年4月分别与三个联合体签署为期18 个月的第一阶段合同；2022年5 月发布第二和第三阶段招标书。后两个阶段拟由一个企业联合体负责实施：第二阶段需要完成冷试，即在不装填燃料情况下测试核热推进系统；第三阶段将开展装填燃料的核热推进系统组装、测试和空间飞行示范。2023 年1 月，国防高级研究计划局和航空航天局宣布签署协议，将联合推进DRACO项目，最快于2027年完成空间飞行测试：前者主导整个计划，包括推进系统集成和采购、认证、日程管理和安全，并确保按时完成推进系统与空间飞行器的整体组装和集成；后者牵头负责核热推进技术研发。

2023年7月，国防高级研究计划局和航空航天局联合宣布在DARCO项目下向洛克希德·马丁公司牵头的联合体授予核动力空间飞行器研发和示范合同，总价值近5 亿美元，目标是不迟于2027 年完成空间飞行示范。BWX 技术公司作为联合体成员，负责反应堆最终设计、硬件和燃料供应、组装，并以一个完整子系统的形式交付装有燃料的反应堆。

2.1.2 国家航空航天局

自20 世纪60 年代以来，航空航天局多次启动空间核热推进系统研究，但受限于技术水平，未取得实质性进展。2016 年航空航天局与能源部签署跨部门合作备忘录。此后，航空航天局及其合作伙伴致力于降低核热推进的技术风险，开展的工作包括燃料元件制造和测试，推进系统性能和可行性分析，开发安全、经济实惠的推进系统地面测试方法，证明液态氢长期储存可行性。2020 年航空航天局与能源部再次签署合作备忘录，拓展双方之前的合作，并建立关注空间核电和核推进技术研发的跨部门工作组。航空航天局2021年7月为三家反应堆技术开发商各提供一份12个月、价值500万美元的合同，用于推进可支持深空探测任务的反应堆概念设计。

美国超安全核公司2023年10月宣布获得航空航天局总价值500万美元合同，将启动空间核热推进系统燃料制造和测试工作，并与合作伙伴进一步完善总体设计。

对于核热推进系统将使用的燃料，美目前重点研究三元结构各向同性（TRISO）燃料。马歇尔航天飞行中心2022年已完成TRISO燃料的首次测试。此次测试模拟了空间环境中的极端条件：燃料被反复加热到2000℃以上，温度每分钟波动数百摄氏度。燃料在测验中保持了完整性。超安全核公司近期向航空航天局交付一批TRISO燃料颗粒，以供开展测试。这批颗粒采用氮化铀内核，拥有三个涂层，从内至外分别为碳化锆、热解碳和多孔碳缓冲层。这是航空航天局首次接收内核为氮化铀的燃料颗粒。

2.2 核电推进技术

美国空军研究实验室于2022 年首次公布“在轨核电供应联合新兴技术”（JETSON）项目，目标是开展核电推进空间飞行器的示范；2023年1 月发布两份招标通知书，分别针对“高功率任务应用”和“低功率任务应用”：前者要求研发电功率为4～6 千瓦或15～20 千瓦的裂变堆系统；后者要求研发用于为小型卫星提供动力的放射性同位素电力系统，电功率为5～20 瓦；2023年9 月宣布在该项目下向三家公司各授予一份合同，用于开展核电推进空间飞行器概念研究和设计。洛克希德·马丁公司获得价值3370 万美元的“高功率任务应用”合同，将开展空间飞行器系统设计，将技术成熟度提升至可供进行初步设计审查的程度。西屋政府服务公司获得价值1690 万美元的“高功率任务应用”合同，将研究从子系统、航天器和架构角度如何实现高功率核裂变系统。Intuitive Machines公司获得价值949万美元的“低功率任务应用”合同，将研发用于为卫星提供动力的放射性同位素电力系统。

洛克希德·马丁、空间动力公司和BWX 技术公司2023 年10 月宣布组建联合体，共同在JETSON 项目下研发利用裂变堆提供动力的空间飞行器。在这个联合体中，洛克希德·马丁将负责空间飞行器的整体设计，空间动力公司负责反应堆设计和组装，BWX 技术负责核燃料和部件的制造与测试。空间动力公司2020年11月获得洛斯·阿拉莫斯国家实验室的授权，负责推进空间反应堆Kilopower 商业化应用。Kilopower电功率为1～10千瓦，使用热管以非能动方式将热量从堆芯传导至斯特林发电机，以铀钼合金为燃料，能够在不换料的情况下连续运行10年，其原型堆已于2018年成功完成测试。

3 俄罗斯

俄罗斯2010年正式启动采用核电推进的核动力空间拖船研发项目，由俄罗斯国家航天集团公司（简称“俄国航集团”）和俄罗斯国家原子能集团公司合作实施，目标是打造一种能够进行大型货物深空运输的空间拖船。

俄2019年在莫斯科国际航空航天展览会上首次展示了拖船模型，2020 年在“军队-2020”论坛上以3D 动画形式展示了拖船空间运行情况。这种拖船将使用兆瓦级核反应堆和离子推进器，能够在不超过4800 小时（200 天）内将重达10 吨的货物从距离地球表面900千米的初始轨道运送至月球的人造卫星轨道，其经济性远好于传统航天器。俄表示，这么长的运输时间不存在任何问题。未来的空间运输可以采用人货分离的方式：人员可以采用安全且快速的方式运输；货物运输可以采用经济性较好的方式，只需确保货物能按时运达。俄国航集团2020年9月表示，按照计划，核动力拖船的首次飞行将于2030年进行。

俄国航集团2020年12月与Arsenal公司签署总价值42亿卢布（5700万美元）的合同，将开展核动力空间拖船初步设计；2021年7月在莫斯科国际航空航天展上展示了名为“宙斯”的空间核动力拖船模型，包括配备离子推进器的初始实验版本和采用旋转磁场等离子体推进器的放大版本。俄乌冲突爆发后，俄国航集团2022年5月表示，空间核动力拖船项目面临资金短缺挑战。

4 英国

英国航天局正在资助两家企业即罗尔斯·罗伊斯公司和脉冲星聚变公司开展空间核推进技术研究。

2021年1月英航天局与罗尔斯·罗伊斯公司签署合同，内容涉及裂变堆推进技术研究。

2022年11月英航天局与脉冲星聚变公司签署裂变堆核电推进系统研发合同。脉冲星聚变公司成立于2011年，致力于开展聚变技术研究，同时也开展用于空间飞行器的霍尔推进器（一种电动推进器）和二级混合火箭推进器研究。该公司2021年9月宣布，霍尔推进器研究已获得英国政府资助；2023年8月宣布将在英航天局资助下与美国密歇根大学合作开展这一推进器技术研究。

脉冲星聚变公司的最终目标是研发能够同时提供推动力和电力的直接聚变驱动（DFD）空间推进系统。该公司2023 年6 月宣布与美国普林斯顿卫星系统公司建立合作伙伴关系，未来将利用人工智能技术研发聚变能空间推进系统，即利用机器学习技术研究“普林斯顿反场构形”（PFRC-2）装置的实验数据，以更好地了解在电磁加热和约束条件下的等离子体行为，目标是将载人飞行器到达火星的时间缩短至30天。

5 法国

法国原子能与替代能源委员会（简称“原委会”）2023年6月宣布，即将启动两个空间核动力推进系统可行性研究项目。这两个项目均将持续一年，研究成果将为欧洲航天局制定2035 年建成示范装置路线图提供参考。一个项目名为Alumni，涉及核热推进系统可行性研究，由原委会领导，阿丽亚娜集团和法马通公司参与。另一个项目名为RocketRoll，涉及核电推进系统的可行性研究，原委会是负责开展研究的联合体成员。

此外，法马通2023 年10 月宣布组建专门负责空间核动力业务的子公司——法马通空间公司，将把过去60 多年积累的核工业专业知识用于服务航天工业。

6 结语

空间事业是关乎国家安全和发展的战略制高点，已成为大国博弈的新战场。推进技术是人类探索空间的关键技术之一。核动力推进技术以其高能量密度、高比功率、大比冲、长工作时间等特点，得到主要国家高度重视，大力推动相关研发。

目前在研的空间核动力推进技术主要有两种：核热推进和核电推进。核热推进技术发展速度较快，有望在2027年率先完成空间飞行示范。在研的动力源包括放射性同位素电力系统、裂变堆和聚变堆。前一种主要用于满足低功率需求，后两种可用于满足高功率需求。裂变堆有望在近期成为空间飞行器的高功率动力选择。美俄等国已在空间裂变堆领域开展数十年研究，并曾发射配有裂变堆的空间飞行器。聚变堆是一项新兴技术，距离商业化应用仍面临诸多技术挑战，其作为空间飞行器动力源的应用时间可能还比较长远。