太空核推进技术引领深空探索动力变革

张嘉毅（国务院发展研究中心国际技术经济研究所）

当前，全球太空探索进入大发展时代，飞得更快、飞得更远成为航天大国追求的更高目标。核动力火箭具有功率高、比冲大、工作时间长等特点，十分契合深空探索、深空运输等任务需求，是未来太空运输技术发展的重要方向之一。美国国家航空航天局（NASA）副首席技术官大卫·施泰茨曾表示，为实现人类火星任务，美国应创建国家太空核推进实验室，开发太空核推进这一将改变太空旅行游戏规则的关键技术。

1 太空核推进技术将为深空探索带来新动力

目前，全球运载火箭主要依靠化学燃料提供动力，但化学火箭比冲较低，约为500s，并已接近极限，很难满足未来深空探测和太空运输所需的长距离和长时间飞行需求。同时，化学火箭需要携带燃烧剂和氧化剂两种推进剂组元，自身发射重量较大，发射成本高。

核动力火箭发动机工作原理与液体火箭类似，借助核反应堆替代化学燃烧室，利用核反应释放的热量直接加热工质，使其从喷管中高速喷出，从而产生巨大推力。根据反应类型不同，核动力火箭发动机可分为核裂变和核聚变两类。核裂变火箭发动机采用核裂变反应堆，并且采用分子量最低的氢作为工质，可得到极高的喷气速度，其比冲比化学能火箭高出数倍，达到1000s。核聚变火箭发动机利用反应堆产生的热能转化为电能，推进方式主要包括脉冲核聚变推进和磁约束核聚变推进。

核动力火箭推进器提供的推重比约为电力推进器的10000 倍，效率比太空化学推进器高2～5 倍。因此，核动力推进是一种兼具电推进的高比冲与化学火箭大推力优点的推进方式，是引领未来深空探索动力变革的重要技术方向。

2 美国高度重视核热推进技术应用，积极推进核热火箭研制进程

美国作为太空大国对核热推进技术研究由来已久。美国自20 世纪50 年代中期以来实施了多项核火箭计划，包括“核火箭开发计划”（ROVER）、“用于太空推进的核火箭发动机的研制计划”（NERVA）、“太空核热推进计划”（SNTP）、“太空探索倡议”（SEI）、“普罗米修斯计划”（Prometheus Project）等。据统计，NASA 在1959-1972 年进行过23 次核热推进反应堆测试，并研制了核动力发动机，但随着1972 年美国国会放弃登陆火星的计划，相关项目和技术研发随之终止。

2017 年，美国时任总统特朗普签署《航天政策1 号令》（SPD-1），宣布美国将重返月球，并最终前往火星，掀起新一轮深空探索热潮。2020 年12 月，美国政府发布《航天政策6 号令》，从国家层面要求组织科学研发，提升太空核技术能力，通过应用太空核动力技术，保持并加强美国在太空领域的优势地位。此后，美国继续推进核热火箭研发进程。

2021 年4 月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）授予通用原子（GA-ASI）、蓝色起源（Blue Origin）和洛马公司（LM）“敏捷地月运行演示验证火箭”（DRACO）项目第一阶段合同。DRACO项目旨在2025 年在低地球轨道上演示验证核热推进（NTP）系统，以提升美国航天器在地月空间内的机动能力。DRACO 项目的第一阶段约18 个月，包括两项任务：一是对NTP 反应堆和推进子系统概念进行初步设计；二是将设计“演示验证系统”（DS）航天器概念。“敏捷地月运行演示验证火箭”概念图如图1 所示。

图1 “敏捷地月运行演示验证火箭”概念图

2022 年5 月，DARPA 发布DRACO 项目的第二和第三阶段征询书，设计、开发、制造和组装核热火箭发动机。其中，第二阶段的目标是完成演示系统的初步和详细设计，并建造和试验核热火箭发动机；第三阶段的目标是在2026 财年进行核热火箭发动机的全功率在轨飞行试验。2022 年11 月，美国通用电子电磁系统公司宣布，完成DRACO 计划A 任务第一阶段关键里程碑，包括交付核热推进反应堆和发动机的基线设计，并使用NASA 核热火箭元件环境模拟器成功测试核反应堆的耐高温元件等关键部件。

2023 年1 月，NASA 和DARPA 宣布合作开发和测试核热火箭发动机，为推进DRACO 项目提供支持。根据合作协议，NASA 太空技术任务理事会将负责核热发动机的技术开发；DARPA 将负责包括火箭系统集成和采购、批准、调度和安全，并确保发动机与航天器的整体组装与集成。NASA 局长比尔·尼尔森表示，NASA 和DARPA 最快将在2027 年开发并演示先进的核热推进技术，为未来载人火星任务奠定基础。7 月，DARPA 和NASA 联合授予洛马公司一份价值约5 亿美元的合同，用于设计和建造核热推进发动机的实验火箭。该火箭将利用核裂变获取动力，拟于2025-2026 年完成演示验证。

2023 年10 月，NASA 授予美国超安全核技术公司价值500 万美元合同，用于研发NTP 系统。该公司于2023 年初向NASA 的太空核能源和推进项目交付了“三结构同向性型”（TRISO）核燃料。此外，该公司将与蓝色起源公司合作，共同推进NTP 发动机的研发工作。

2023 年11 月，美空军研究实验室授予洛马公司价值3370 万美元合同，用于为“联合新兴在轨核补给技术”（JETSON）项目开发核动力航天器。JETSON 项目旨在将裂变反应堆发射入轨，通过反应堆产生热量实现电能转化，为航天器载荷或电推进系统提供动力。未来，洛马公司将与太空核动力公司（Space Nukes）和BWX 技术公司（BWXT）合作，共同开展JETSON 项目研发。

3 俄罗斯推进核动力太空拖船技术研发

作为传统的核能开发应用强国，苏联/俄罗斯在太空核能技术方面一直处于世界领先地位，早在20 世纪60-70 年代就发射了多枚核能供电的卫星、探测器。自苏联解体后，俄罗斯受经济等多方因素影响放缓了在太空探索技术方面的研发力度，但是在核能应用领域的研究未曾中断。

2020 年12 月，俄罗斯航天国家集团公司（ROSCOSMOS）与圣彼得堡设计局阿森纳公司（Arsenal）签署了一份价值5700 万美元的合同，开展“宙斯”（Nuclon）核动力太空拖船的初步设计工作。2022 年4 月，俄罗斯首次展示了“宙斯”核动力太空拖船的工作原理。《俄罗斯宇宙》杂志介绍称，作为载热介质的气体经过反应堆，后者通过核裂变释放热量，被加热的气体带动涡轮，后者与发电机连接，产生电能，并通过气体压缩机实现气体在封闭回路中的循环。

“宙斯”太空拖船核反应堆将能满足拖船在地球轨道与太空站之间的穿梭任务，还能助力月球基地建设，更有望执行深空探测任务。“宙斯”太空拖船装备有兆瓦级核动力装置，可在200 天内实现从近地球轨道向月球轨道运载10t 有效载荷的能力，并可为轨道站或着陆舱提供电力支持。未来，“宙斯”不仅可为航天器推进系统提供动力，还可为月球、火星、金星和小行星带等深空探测任务提供动力支持。“宙斯”太空拖船的研发将有助于推进月球基地建设和人类对太空的深入探索。

4 英国公司探索核聚变火箭推进技术

2023 年7 月，英国脉冲星聚变公司（Pulsar Fusion）称其正在建造一款核聚变火箭发动机。该款发动机采用直接聚变驱动（DFD），是一种紧凑型核聚变发动机，可为航天飞船提供推力和电力。该发动机使用氘和氦-3 作为推进剂，可提供10～101N 的推力，速度可达8×105km/h，能够将火星任务时间缩短一半，并使土星任务时间从10 年缩短到2 年。该公司的数据模型显示，核聚变发动机具备在4 年内将质量约1t 的航天器推进到冥王星的能力[美国旅行者-2（Voyager-2）探测器飞行12 年才飞掠冥王星]，还可为有效载荷提供约2MW 的电力支持。核聚变火箭概念设计图如图2 所示。

图2 英国脉冲星聚变公司核聚变火箭概念设计图

据公司网站介绍，该发动机的研制已进入第三阶段，即初始测试单元的制造阶段，静态测试将于2024 年开始，于2027 年进行在轨演示。该公司在英国布莱奇利建造了核聚变反应室，并与新泽西州的普林斯顿卫星系统合作，利用超级计算机模拟等离子体在电磁约束下的活动，以及等离子体在离开火箭发动机时的状态，为核聚变火箭发动机设计提供数据支持。

脉冲星聚变公司由理查德·迪南于2011 年创立，总部位于英国牛津，目前为航空航天和国防部门生产霍尔推力器和二级火箭发动机。该公司于2022 年获得了英国航天局的资助，与核先进制造研究中心以及剑桥大学共同开发核裂变电推进系统。

5 印度空间研究组织开展核动力推进系统研发

长期以来，印度将太空力量发展视为提升综合国力和全球影响力的重要抓手，在火箭运力提升、卫星体系构建、商业航天发展等领域多向发力。其中，核动力推进技术的发展将为提升航天器动能提供重要支持，受到了印度太空研发机构的关注。

2023 年7 月，印度空间研究组织（ISRO）与巴巴原子研究中心（BARC）合作开发先进的核动力推进系统。该推进系统主要由两个关键部件组成，包括放射性同位素热发电机（RTG）和放射性同位素加热器（RHU）。其中，RTG 采用钚238 或锶90 等放射性材料，将材料衰变释放的热能转化为电能。目前，RTG 系统已在多项深空任务中有所应用，美国的“旅行者”（Voyager）外层星系太空探测器、“卡西尼”（Cassini）行星探测器和“好奇”（Curiosity）火星探测器都利用了RTG 系统提供电力支持。RHU也是通过放射性材料衰变提供热量的小型设备，类似于微型RTG，通常可提供约1W 的热量，热量可持续释放几十年，甚至一个世纪。RHU 可在深空飞行任务中释放热量，为飞行器载荷工作提供适宜的温度环境，避免仪器受过低温度影响而损坏。

6 深空探索未来可期

深空探索是人类探寻宇宙奥秘、拓展空间认知、实施技术创新的重要领域。核动力技术作为具有颠覆潜力的深空推进技术，将为人类加快科学探索步伐提供“新引擎”，为月球开发、载人探火、小行星研究以及太阳系边缘探索等任务提供关键技术支撑。目前，以美国为首的西方国家正借《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords）开展对月球的探索活动，并拟将月球打造为地外前沿基地，在抢占月球战略要地的同时，为后续火星、小行星等更远更深的探测任务提供中转中继服务。美英等国加紧推进核动力技术研发测试，拟大幅提升在地月空间内的机动、运载等能力，为扩大深空竞争优势奠定技术基础。近年来，我国正稳步推进月球探索活动步伐，不仅通过实施嫦娥工程，实现了“绕、落、回”三步走战略，更是在2023 年5 月宣布2030 年前实现首次载人登月的宏伟目标。为加快推进航天强国建设，中国也应抓住时机，以深空探索运输系统需求为牵引，围绕核动力火箭技术开展论证和研究工作，助力中国探索太空的脚步迈得更稳更远。