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国外空间核动力技术发展现状及启示

摘要：为了满足未来太阳系边界探测、深空轨道转移和载人往返火星等空间任务的多元化需求，空间核动力技术应运而生，其可以突破常规能源推进方式的限制，大大提高推进系统的比冲，同时克服太阳能受限于太阳距离的问题，在深空探测领域具有广阔的前景。空间核动力技术可以为航天器提供多种新型推进方式，主要包括核电推进、核热推进，以及核热、核电、化学能等的组合动力推进，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片、核脉冲、核冲压。空间核动力通常包括核反应堆、能量转换模块和配套的推进系统，以及热力和电力控制等辅助系统与桁架等结构模块。

关键词：空间核动力；核动力航天器；核电推进；核热推进

一、空间核动力概述

空间核动力主要是指能量来源是核能的空间动力系统，其衍生概念还包括空间核热源、空间核电源，如图1所示，但空间核动力主要偏向于空间核能推进系统。核能推进技术主要包括核电推进与核热推进两种方式，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片（利用磁场将可控核裂变过程中产生的高能裂变碎片沿同一方向喷射，从而产生推力），核脉冲（在火箭后面安装推进盘，利用核弹爆炸的冲击波推动火箭前进），核冲压（利用大气作工质，代替贮箱供给推进剂的核热火箭），以及核热/核电的双模式推进。本文主要介绍核电与核热两种主要空间核动力形式。

图1空间核能应用能量转换关系

核电推进是指将核反应堆的核裂变/聚变或者放射性同位素衰变产生的热能通过热电转换产生电能，再利用电推进系统产生推力的推进方式。目前，大功率的空间核电推进系统均是依靠反应堆核裂变产生的热源设计，一套完整的核电推进系统如图2所示。空间核电推进系统通常由空间核反应堆、热电转换系统、热排放系统、电源管理和分配系统、大功率电推进等子系统组成。

图2核电推进系统组成

核电推进系统中如何将核反应堆产生的热能转换为电推进系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方式包括以布雷顿、斯特林和朗肯热力学循环为主的动态转换，以及以温差发电和热离子发电为主的静态转换，如图3所示。温差发电与热离子发电的使用历史悠久，技术相对成熟与稳定。美国早期的同位素航天器（包括“子午仪”4A军用轨道卫星、“旅行者”1探测器等）和苏联BUK核反应堆卫星均采用温差发电方式，苏联TOPAZ空间核电源则采用热离子发电方式。然而，静态转换形式的效率偏低，对于采用核裂变反应堆的大功率核电推进航天器来说，为了保持较高的功率密度，应尽量减少反应堆、辐射屏蔽层和废热散热器等的体积、质量，需要进一步提高热电转换方式的效率。动态转换的效率与静态转换相比有明显提升，这也是目前俄罗斯、美国、欧盟的兆瓦级核电推进航天器均选择动态热电转换方式的原因。在动态转换方式中，斯特林循环的效率高，但不能很好地扩展到百千瓦以上的大功率系统；在兆瓦级大功率等级下，布雷顿循环在功率、效率、质量、寿命及可靠性的综合指标上表现更好；朗肯循环在高效率与排热温度上具有潜力，但两相系统的设计是一个更大挑战，技术成熟度较低。

图3不同热电转换方式

核热推进是指利用核裂变产生的热能加热推进工质，并由推力室喷管加速喷射而产生推力的一种推进方式。核热推进最简单的模式如图4所示，即在推进系统中只有一条主推进剂管路，液氢工质从储罐中流出进入泵加压，推动涡轮做功，还有一部分氢进入喷管冷却套，此部分液氢的作用是冷却喷管和预热工质，两条路径最后都进入反应堆堆芯吸取大量热量，并通过推力室及喷管高速喷出，从而产生推力。

图4核热推进示意图

二、国外空间核动力技术发展现状

（一）美国

美国在20世纪50年代率先投身于空间核电推进的研究，截至目前，美国已经发射了40余个带同位素电源的航天器。其中，百瓦级的同位素热电转换材料选用SiGe高温材料，电功率达到170W，热端温度超过1000℃，已成功应用在“旅行者”1航天器上，寿命超过43年。这种空间同位素电源提供的电功率相对较小，而核电推进需要利用核反应堆的核裂变/聚变通过热电转换获得更大功率的电能。

1955年，美国原子能委员会启动了空间核辅助电源计划（SNAP），并于1965年4月成功发射了人类历史上第一个在轨运行的空间核反应堆电源——SNAP-10A，其采用温差热电偶发电的方式为航天器提供500W的电功率，在运行43天后被永久关闭。此后，美国在太空任务发展规划的优先级上不断进行调整，空间核动力领域的有关研究虽继续取得重要进展，如SP-100计划、应用于运载火箭的核发动机计划和“普罗米修斯”计划等，但再也没有进行实际飞行试验和在轨应用。

1983年，美国为了提高空间能源供给和防御苏联的导弹攻击，启动了“战略防御”计划（SDI）。该计划采用热电偶热电转换技术作为发电方式，采用锂冷快堆技术，设计输出功率为100kW，使用寿命为7年，设计出SP-100空间反应堆。SP