国外空间核动力技术发展现状及对我国的启示

□胡 健 宿吉强 李言瑞 李永航

近年来，我国航天探测活动迈入高密度和高质量发展阶段，先后发射了天问一号火星探测器并携带“祝融号”火星车成功着陆于火星乌托邦平原南部，以及首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”，实现我国太阳探测零的突破。更长时间的太空驻留和更远距离的太空探索，标志着我国航天技术迈入了更高层次的新征程。同时也对空间探测器动力源的持久性和可靠性提出了更高的要求，目前无论是空间站还是火星车，我国都主要采用太阳能帆板作为航天器的能量来源，而早先登陆火星的美国“毅力号”以及更早的“好奇号”火星车则采用同位素钚-238核电池作为动力来源。此外，2021年4月12日，美国国防部下属研发部门向通用原子公司等三家公司授予了核航天器合同，计划将在2025年之前完成建造和演示核动力推进系统。

随着我国空间探索的深度与广度不断拓展，对于太阳系中的其它离太阳更远或是能接收太阳光照更弱的行星，核动力或许是完成探测任务的唯一选择。空间站和火星车已经开启了中国航天对星际探索的大门，因此空间动力技术亟需快速发展，打造我国成熟的空间核动力技术必将是下一个突破口。

一、国外空间核动力技术发展现状和政策

目前，基于太阳能、化学能的空间电源技术能力已接近极限水平，而核能因其具有功率覆盖范围广、能量密度高、受环境影响小、寿命长等优点，在空间探索中具有更广泛的应用区间。美国、俄罗斯和欧盟国家等都把空间核动力视为国家前沿核心技术，并积极围绕空间应用拓展和空间资源开发的战略目标，投入大量人力、资金和技术力量，制定了一系列空间开发策略和研究计划。

美国空间核动力技术起步较早其技术储备好，其在不同发展阶段根据政治、商业和军事等各方面需求，先后提出多项空间堆电源研发计划，包括：SNAP系列计划、SP-100计划、FSP计划和Kilopower计划等，其中Kilopower迷你空间堆是目前世界各国对外公布的空间反应堆中最为先进的，主要为登陆月球、火星并建立月球和火星的空间基地而研发[2]。2018年3月，美国NASA完成了Kilopower空间堆电源系统带核样机地面测试。2020年11月，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)宣布与空间核动力公司(Space Nukes)签署授权使用协议，目的是使这项技术在未来几年实现商业化应用，预计美国将在近期具备千瓦级空间堆电源的飞行应用条件。除了NASA以外，美国国防部(DOD)正在推动基于核热推进系统的“敏捷地月飞行示范火箭”(DRACO)计划。2021年4月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)授予DRACO项目第一阶段合同，目标是在2025年实现低地球轨道核热推进系统的示范运行。

(二)俄罗斯。俄罗斯从苏联时期就开始了空间核动力技术的研发，积累了丰富的经验，尽管近些年俄罗斯经济低迷，但始终没有停止对空间核动力技术的探索。2016年，俄罗斯政府批准了《关于俄罗斯联邦2016～2025年航天计划》第230号决议，根据其拨款计划，到2025年，俄政府将投入1.4万亿卢布发展本国航天业。以此为依据制定了未来10年的航天计划，其中明确提出发展新型航天技术，研发新型航天基础元器件和工艺技术，包括研发新型核动力装置及轨道助推控制系统。俄罗斯先后研制了ROMASHKA、BUK和TOPAZ系列等多个型号的空间核堆电源，电功率范围可达到百瓦级至千瓦级[3]。2009年俄罗斯提出兆瓦级空间核动力飞船技术，计划2025年之前完成飞船制造和飞行试验准备工作。

(三)欧盟国家。欧盟的法国、意大利、德国等国也在根据自身的空间核动力应用需求和未来太空技术发展规划，先后开展了多项空间核动力的概念研究和技术攻关。从2011年起，DiPoP和MEGAHIT等空间堆电源项目在欧盟委员会的支持下持续推进。其中，DiPoP计划(2011～2013年)的功率覆盖范围为20～200kW，重点研究空间核反应堆推进技术、公众接受性原则、发射和运行流程等；MEGAHIT计划(2013～2014年)的功率可达到1MW，其目标是为空间核电推进航天器提供稳定电能，任务需求包括地球轨道目标偏移、提供长周期空间探索的核推进系统、大功率无人深空探测、空间拖船和载人火星探测任务等。作为以上计划的项目延续，欧盟在2015～2017年期间开始执行“电推进系统转换器、空间反应堆、辐射器、推进器演示验证”计划(DEMOCRITOS)，主要对各项核电推进技术进行验证和测试，这也标志着前面两项空间堆电源项目制定的技术路线开始进入实施阶段。

二、空间核动力技术类型

空间核动力可以满足通信卫星、空间站、空间运输、空间武器、深空探测、外星基地等对电能和推进动力的需求。国际原子能机构(IAEA)在《核电源及核推进在和平探索太空中的作用》一书中给出了不同空间电源的适用功率范围及适用任务周期，如图1所示。

图1 各种空间能源类型适应的功率和寿命范围[4]

空间核动力技术路线如图2所示，不同技术方案主要取决于动力应用、核燃料类型、热电转换、推进方式等，具体应用需根据使用要求、使用寿命和技术可行性进行选择。

图2 空间核动力系统技术路线分类

(一)放射性同位素电源。放射性同位素电源(RTG)将放射性同位素衰变产生的热能转换成电能的电源装置，该技术目前已经比较成熟，已多次在国外无人空间探测任务中得到应用。美国至今已发射了27个共带有46个RTG的航天器，均采用放射性同位素钚-238。俄罗斯在1996年发射的“火星-96”探测器中也使用了4个钚-238同位素电源。但RTG功率水平较低，单机功率一般不超过300W，无法满足有更高功率和更大推力需求的空间任务。另外，由于其使用受到核材料的来源和价格问题制约，因此难以实现更广泛应用。

(二)空间堆电源。空间堆电源可覆盖几kW至数MW的功率范围，而且比太阳电池有更高的功率质量比，能够适应弱光照、极端高低温、尘暴等恶劣环境的影响，同时还具有功率提升快、机动性好、结构紧凑、供电时间长的特点，是目前载人星际飞行和及无人深空探测领域最具应用前景的电源[5]，指标参数详见表1。美国和俄罗斯均将空间堆电源视为空间技术中优先发展的重点，围绕国防军事、空间科学探索、宇宙资源开发等目标需求、持续投入大量资金和科研资源，分析了空间堆及屏蔽、热电能量转换、传热散热等的相关技术，建成了多个空间堆电源地面试验装置，初步形成了空间堆电源的研发能力体系。

表1 不同功率水平空间堆电源技术参数比较

(三)核推进。核推进分为核电推进(NEP)与核热推进(NTP)。核电推进是空间堆电源与电火箭技术的结合。核热推进采用氢作为工质产生的比冲可达1,000s量级，推力可达数吨到数十吨量级，效率是常规化学火箭的两倍，指标参数详见表2。基于高比冲、大推力和长寿命的特点，核热推进是目前最具潜力的空间推进动力形式，美国称其为目前执行载人火星飞行任务的首选动力方式。另外，核热推进器的小型化、模块化也是核热推进系统的发展方向之一。

表2 空间核推进技术参数比较

三、未来空间核动力技术的应用领域

进入21世纪以来，空间探索成为各航天大国的发展重点，随着人类科技水平的不断提高，太空、深海和极地等未知区域的探索成为各国争相涉足的领域，空间核动力在拓展生存空间、资源开发和国防军事等领域都将催生广泛的战略应用前景。

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(一)空间综合服务领域。基于100kW级以上核动力高轨综合服务站具有切实的经济效益和战略价值。未来的万公里级轨道高分辨率微波遥感卫星功率需求为100kW级，千公里级轨道高分辨率卫星功率需求为50kW左右，空间堆具有良好经济竞争力。此外，空间堆在对地观测、数字信息传输、通信数据交换等领域也发挥积极作用。

(二)空间轨道运输领域。未来我国载人航天、高轨卫星发射、地外物质采样返回等空间任务将实现常态化，如何实现大质量设施的空间高效运输将成为亟需解决的问题。采用传统化学推进的货运飞船向高轨道运输货物，通常需要携带自身质量一半以上的化学推进剂，技术难度大且运载能力有限，而如果采用兆瓦级的核电推进或核热推进货运飞船则可以大大提高任务的有效载荷比，实现更加快速灵活的空间轨道转移。

(三)星际探测领域。对火星、木星等地外天体进行探测，并在星体表面建造科研设施是未来星际探测的发展方向。受星体自转、表面恶劣环境的影响，太阳能或将难以适用，空间堆电源环境适应能力强，功率范围大，可以提供数十年的能量可靠供应，满足科研仪器日常运行的功率需求，是星表基地建设和星球资源开发的理想能源解决方案。同时，对于更远深空的外太阳系探测，空间核动力技术或许是唯一可以提供高载荷和远距数传能力的推进动力选择。

(四)深海开发领域。开发深海资源，巩固海洋领土国防已经成为世界各国的发展战略。深海空间站是可以在深海区域为科研人员提供长期居住和日常工作场所的大型水下空间平台，而深海空间堆具有一次装料运行周期长，节能环保等特点，是解决海洋资源开发活动能源供应的有效途径。

四、对我国空间核动力发展的启示与建议

空间核动力技术属于高精尖前沿技术，相较于太阳能等常规空间动力具有显著性能优势和广泛的应用前景，我国应统筹优势力量，加快开展关键技术攻关，实现我国空间核动力技术的跨越式发展。建议可从以下几方面制定和实施发展策略。

(一)明确战略定位，制定完整体系的空间核动力发展规划。空间核动力技术作为一项能“改变游戏规则”的国家战略技术，未来有着巨大的影响力，其研发和应用必将对我国深空深海探索、国防军事和社会发展产生重大影响，同时，由于空间核动力技术难度大、研发周期长、成本高，需要国家统筹协调，并给予政策扶持和资金支持。我国应进一步明确空间核动力战略定位，开展顶层设计并制定总体发展规划，开展相关技术研发与应用，加速抢占技术制高点。

(二)开展空间核动力总体需求评估，加快关键技术突破。空间核动力技术涉及多方面的研究难点和关键技术，在研发过程中应科学评估空间任务需求，准确识别关键技术挑战并提出解决方案，加快包括紧凑空间堆设计、高效热电转换技术、结构材料选型与工艺制备等技术突破。从系统工程的角度，开展总体参数优化设计，加快完成空间堆试验、掌握MW级空间堆关键技术，开展高速、大功率、大推力核热推进装置方案设计，从而逐步实现新型复杂航天器系统的工程应用。

(三)提升核燃料技术研发水平，重视供应链安全风险。核燃料的生产与加工制造是空间核动力技术可行性的核心因素。我国应进一步提升空间堆核燃料研发能力，根据需要生产适用于星球表面以及空间电力、核电推进和核热推进应用的不同形式燃料。注重使用标准化的材料、工艺、设计或基础设施，提高燃料形式的通用性，形成“系列化、型谱化、模块化”的高性能核燃料产品体系，逐渐提高技术成熟度并节约成本。同时应增强铀资源保障能力，降低未来核燃料供应链的安全风险。

(四)建立认证指标体系，充分保障空间核动力系统安全性和可靠性。空间核动力装置的安全性和可靠性是空间核能应用的核心和基础。由于空间核动力系统结构、运行要求和环境等与地面核设施存在很大不同，应充分考虑空间核能应用的特殊性。相关科研单位应建立空间核动力认证指标体系，通过开展全面的安全指标与设备可靠性研究、故障模式分析、极端环境适应性研究等，制定合理的安全评价体系和可靠性验证方法，从而保障我国空间核动力装置的安全性与可靠性。

(五)建立多学科、多领域的联合攻关长效机制。空间核动力技术是集核能、航天和信息技术等学科为一体的综合性的前沿科学工程技术，涉及多个基础学科和工程应用研究。建议由国家相关部门领导，联合国内航天与核工业优势单位，建立由科学界、工业界、社会和政府组成多学科、多领域的空间核动力技术联合攻关共同体，建立长效协作机制，推进空间核动力技术研发。在立足自主研发的同时，也应积极寻求国际合作，开展技术和经验交流，促进我国空间核动力技术持续和快速发展。