管窥空间核动力及其应用

2019年7月20号，正值人类首次载人登陆月球50周年纪念日，美国公布了“阿尔忒弥斯计划”的官方标志图案，正式宣告将在月球建立一个供宇航员工作、生活的永久存在基地。月球一个黑夜长达14个地球日，月夜温度低至零下180摄氏度，因此太阳能电池无法使用。月球基地需要依靠大功率、长寿命的空间核动力维持站内温度、设备运行和通信等基本功能。空间核动力在月球基地、火星登陆、科研基地建设及行星际探测中可发挥关键作用，而太阳能应用的局限，也为空间核动力的发展提供了新的机遇。

核能与航天器的联合

空间核动力是指在航天活动中所使用的“空间核能”的统称。按核能具体应用的不同，空间核动力可分为空间核热源、空间核电源、空间核推进系统三大类。

空间核热源是指在外层空间利用核反应释放出来的热量为航天器仪器、仪表创建和保持温度适宜工作环境的装置。空间核热源又可分为放射性同位素热源和核反应堆热源。前者利用放射性同位素衰变释放的热量，后者利用核反应堆裂变反应释放的能量。到目前为止，在轨应用的空间核热源都基于放射性同位素热源，如阿波罗11号是美国第一个使用放射性同位素热源的航天器。

目前，空间应用绝大多数选择钚-238，苏联早期在航天器上应用过钋-210，但是钋-210、钚-238毒性很大，极微量的钋-210、钚-238都能造成严重危害。欧洲航天局曾于2022年底通过一项名为“使用放射性同位素能量的欧洲设备”的计划。该计划旨在开发基于放射性元素镅-241的长效热源和电力装置，以助力欧盟探索月球及更遥远的星空。核反应堆电源是指在外层空间将反应堆释放的能量转换为电能的装置。事实上，星表核反应堆电站、空间核反应堆电源与地面核电站之间，虽有技术特点方面的“小异”，但在基本原理上却是“大同”的，只不过前两者仅通过辐射方式散热，地面核电站则大多建在有水的地方，通过海水或淡水实施冷却。世界上第一个空间核反应堆电源是美国的SNAP-10A，于1965年4月3日发射，在轨运行43天后被永久关闭。SNAP-10A也是美国迄今发射的惟一一颗空间核反应堆电源。苏联于1970年―1988年成功发射了35颗使用空间核反应堆的航天器。据报道，美国航空航天局希望到21世纪20年代末在月球上建造一个10千瓦级的“裂变表面能”设施。

阿波罗11号

空间核推进系统是指在外层空间将核反应释放的能量转换为工作介质的动能，以产生推力的装置。包括核热推进系统和核电推进系统等。核热推进系统，又称核火箭发动机，是利用核反应产生的热能把工作介质（推进剂）加热到一定的温度，然后将高温高压的工作介质从喷管高速喷出而产生推力的装置。自1955年起，美国研发针对洲际弹道导弹的核火箭发动机，60年代因化学火箭技术进步而暂停。开展载人探月工程后重启核火箭计划，虽取得阶段性成果，但还是因政治和财政等问题导致最终终止。核电推进系统，又称核电火箭发动机，是利用核电源产生的电能将推进工作介质（如氙）电离成等离子体状态，随后在电场或磁场的作用下，等离子体被加速并从喷管喷出，进而产生推力的装置。

SNAP-10A是第一颗将核反应堆电源与电推进器相结合的航天器，被认为是核电推进技术的第一次在轨应用。在SNAP-10A中，离子推进装置作为试验设备搭载，在轨运行了一小时左右。苏联于20世纪60年代开始研发核电推进系统，其中最成功的是霍尔发动机。该发动机系苏联首创，于70年代末期成为一种定型的核电火箭发动机产品。据报道，美国航空航天局目前正开展一项名为“功率调整演示火星引擎”的热核推进系统的研究，并计划于2026年进行样机测试，同时希望21世纪30年代在执行可能的火星货运任务时进行飞行测试。美国防部高级研究计划局则在开展一项代号为“敏捷地月空间行动演示火箭”项目的研究。该火箭的核心是一个小型核反应堆，铀-235在反应堆中发生裂变反应释放的能量，加热贮箱中的液氢（起始储存温度将低于零下253摄氏度），使之随着温度的升高而迅速膨胀并从航天器后部的喷嘴中喷出，产生推力。“敏捷地月空间行动演示火箭”可以驱动航天器在短短数小时内飞升至距地球近3.6万千米的对地静止轨道。而使用化学燃料火箭的卫星进入同样的轨道则需要耗时数天。且使用大功率核动力使卫星有足够的能量实施经常性的、大范围的变轨机动，增加潜在对手预测其飞行路线的难度，生存能力更强。2023年7月26日，美国家航空航天局和国防部高级研究计划局宣布，“敏捷地月行动演示火箭”项目计划最早于2027年在太空测试一枚核动力推进火箭。

美宇航局约翰逊航天中心的模拟火星栖息地

航天活动的“天选”动力

目前，航天器使用的空间电源包括化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源、核电源三类。化学电池的优点是结构简单，性能可靠，工作电压平稳、电阻小，适合大电流放电；缺点是寿命短，一般不超过一个月，低温性能差，功率较小，最大到数百瓦。太阳能电池阵-蓄电池组联合电源是现阶段应用最为广泛的空间电源，技术成熟，性能可靠，寿命长，功率也较大，可达数十千瓦。但其存在的主要问题是依赖太阳光照条件、生存能力较差等。

相对而言，核电源更适合遂行多样化的航天任务。一是能量密度大，易实现大功率供电。研究表明，当功率超过50千瓦且持续工作时间超过一个月时，太阳能电池阵-蓄电池组联合电源在质量和体积方面都不尽如人意。但与太阳能供电系统比质量基本固定不同，空间核反应堆电源的比质量随功率的增加反而大大降低。功率越大，空间核动力的比质量优势越明显。并且，在以高分辨率雷达为代表的近地轨道大功率航天活动中，过大的太阳能电池板翼面会对卫星姿态控制和雷达信号质量产生严重的负面影响。相比之下，空间核反应堆电源功率可达数兆瓦，且具有在一定时限内将额定功率提高2～3倍的能力。

二是核电源属于自主能源，不依赖太阳光辐射。尽管20世纪80年代后太阳能电池技术相对成熟，并得到广泛应用，但顾名思义，太阳能电池需要合适的太阳光照条件。当与太阳距离超过5个天文单位时（天文单位为

天文学上的长度单位，1个天文单位为149，597，870，700米），太阳能电池组的效率将下降到不可接受的水平；反之，当距离太阳不足0.4个天文单位时，由于过热，太阳能电池组实际上也不能应用。木星距离太阳约5个天文单位，其太阳能利用效率大约为地球的1/25。更不用说阳光照不到的情况了。例如，在月球任一地点，月夜期内太阳能电池均无法使用。

三是环境适应性好，生存能力强。太阳能电池阵结构复杂、展开面积大，易受空间碎片、陨石打击，也易受辐射等因素影响，难免造成破损，导致性能下降甚至失效，生存能力较差。此外，地外星体表面恶劣、严酷的自然环境，也进一步限制了太阳能的应用。例如，火星表面风速通常为6～8米/秒，斜坡处和沙尘暴期间风速更是达到40米/秒，太阳能电池翼面容易堆积沙粒，致使太阳能利用效率急剧下降。再例如，木星周围的强辐射带，也会导致太阳能电池板效率大幅下降。相比之下，核电源具有很强的抗空间碎片撞击能力，可以在沙尘暴、高温、带电粒子辐射等恶劣条件和危险环境下工作。

月球、深空探测和高分辨率对地观测的必然选择

发展面向月球、深空探测和高分辨率对地观测等重大航天活动的大型航天器，已成为各航天大国竞相追逐的目标，而大型航天器则必然需要大功率电源，在这方面，空间核动力也优势明显。

支持以月球、火星基地为代表的地外星体表面基地任务。月球是地球的卫星，是距离地球最近的自然天体，月球还可以作为人类进行深空探测的“中转站”，故而月球成为人类深入探测和开发应用的第一目标星球。火星距离地球稍远，不过仍属地球的“近邻”，更关键的是，火星表面环境特征与地球较为相似，一直以来都被认为可能存在外星生命、可成为人类的第二个栖息地。因此，登陆月球、火星，并在月球、火星建立科研基地，就被各航天大国提上议事日程。

然而，不论是月球基地，还是火星基地，都需要大功率电源来维持基地温度、设备运行以及与地面通信联络等基本功能。月球夜间可达零下180摄氏度，火星夜间环境温度也低至零下100摄氏度，且均距地球较远，需要消耗大量的电能来维持温度适宜的工作、生活环境以及与地球的通信联络等。而根据已有的月球或火星基地设想，小型基地一般需要100千瓦量级的电功率。更不用说大中型永久基地的电能消耗了。故而，核电源成为最具技术竞争力的选择。

适应木星及远行星探测任务快速、多天体连续观测的发展趋势。在实施木星及遥远行星探测任务时，由于距离地球过远，若仅利用行星的引力调整或改变探测器的飞行轨道，不仅飞行时间长、探测效率低，且一次仅能实现对单个天体的探测。而利用大功率核电源提供动力，则可加快飞行速度，缩短到达行星轨道的时间。例如，已经被取消的美国木星冰月卫星轨道器，就提出一次连续探测木星、

木卫二、木卫三和木卫四的要求。这类任务需突破星体巨大引力，要求电源的输出功率也较大，通常达100千瓦甚至是兆瓦量级。木星覆冰卫星轨道器总重约20吨，设计寿命为20年，包括1个550千瓦的核反应堆、1个2千瓦的太阳能电池阵和8个30千瓦的离子发动机。正因如此，目前世界上已发射或处于研制阶段的木星及以远行星的探测器均使用核电源。

保障高分辨率对地观测对航天器电能的供给。高分辨率包括高空间分辨率和高时间分辨率。分析表明，处在1000～3000千米轨道的雷达卫星，电功率需求在50～200千瓦之间；处于地球静止轨道的合成孔径雷达，若要求空间分辨率达到1.5米，则需约2兆瓦的电功率支持。由于雷达要求全天时全天候工作，故而卫星平台必须配备大功率电源。此外，大容量通信卫星也要求大功率电源提供动力。

满足驱动天基定向能武器对大功率电源的要求。近年来，国际上掀起了对天基微波技术、大功率激光、粒子束武器等定向能武器和技术的研究热潮。这些技术、武器实际上也需要百千瓦甚至兆瓦级的功率来支撑。计算表明，输入功率为200千瓦的微波源可以满足重复使用的天基高功率微波武器对电能的需求。该功率范围的微波武器可对距离500千米处目标达成毁伤级别的破坏效果。而空间核电源可谓高功率微波源的理想选择。至于激光武器，俄罗斯著名量子力学专家列弗·里夫林曾说过：“量子核子学所追求的神圣目标就是γ射线激光器。”因为γ射线的能量是目前X射线的1000倍，而从“核子反应堆”中直接引出γ射线，可以用来制造能量更高、威力更大的γ射线激光武器。换言之，天基激光武器要达到γ射线的能级，依靠化学激光和太阳能电池阵都是不现实的，只能依靠核反应堆电源。粒子束武器是干扰、破坏、瘫痪电子器件和设备的有效手段。粒子束武器的原理虽不复杂，但必须有强大的脉冲电源来驱动，而对应卫星平台的电源系统需百千瓦级的电功率，空间核反应堆电源无疑为最佳选择。此外，利用天基电子干扰卫星破坏敌方卫星通信、定位系统，降低敌方通信效率、导航定位精度甚至使其失去作用，则必将对战争胜负产生决定性影响。

霍尔发动机工作原理

需求牵引：高效、安全、大功率

需求决定发展，空间核动力也不例外。

同位素电/热源亦推陈出新。早在1961年6月，美国便在世界上第一颗核动力航天器子午仪4A号军用导航卫星上使用了同位素电池，阿波罗11号载人飞船则在其早期的科学试验包中使用了2个同位素热源。也正是“阿波罗”计划，使得美国航天器同位素技术逐步趋于成熟。苏联也于20世纪60年代中后期掌握了同位素电/热源的关键技术，并启动了钚-238生产线。同位素电/热源经过数十年的飞行验证，技术成熟度高，安全性好，已进入可持续发展时期。不过，由于钚-238受到严格管制，且供应短缺，加之其半衰期为87.7年，由放射性衰变产生的热量会扩散较长时间，故而应用受限。因此，美国正寻求半衰期更短、“热力密度高得多”的替代品。据报道，有望成为钚-238替代品的元素为钴-60，其半衰期为5.3年。俄罗斯国家原子能公司此前曾表示，莫斯科钢铁和合金学院推出了一种基于同位素镍-63的小型核电池原型。镍-63的半衰期为100年。

大功率电源成主要方向。载人火星探测、太空拖船、轨道转移器和天基武器等都需要兆瓦级及以上的大功率动力。据报道，俄罗斯从2010年起一直进行配备兆瓦级核动力推进装置的太空拖船宙斯号的研制工作。其基本原理是：反应堆通过核裂变释放热量，加热流过反应堆的气体，气体被加热后驱动涡轮，涡轮带动发电机转动产生电能。俄官员表示，拟于2030年将宙斯号送入轨道进行飞行试验。除通过裂变反应产生能量外，据《西班牙人报》网站2022年12月6日报道，英国航天局已宣布，将资助英国企业脉冲星聚变公司研发基于聚变反应的、功率为兆瓦级的发动机。研究指出，使用这种发动机“能将前往火星的旅程缩短一半，并允许在太阳系外执行任务”。

敏捷地月行动演示火箭概念图

提升效率是重要课题。空间核动力已走过半个多世纪的发展历程，取得了丰硕成果。多个使用放射性热源和反应堆电源的航天器已进入近地空间和遥远的深空，美国旅行者2号探测器已经飞出太阳系。在此过程中，空间核动力的效率也逐步得到提升。例如，同位素电池电功率质量比从“子午仪”的约2.6瓦/千克提升至20世纪80年代美国研制的通用热源同位素电池的5.1瓦/千克左右；核反应堆电源的热电转换效率也从SNAP-10A的约1.6%提升到“裂变表面能”设施的约21.5%。测试表明，美国航空航天局支持的变比冲磁等离子体发动机的效率高达60%，是目前效率最高的核推进设备。但客观而论，在空间核动力中，核能利用效率仍不甚理想。美国的SNAP-10A、苏联发射的32颗使用BUK反应堆电源的海洋监视卫星均采用温差发电，苏联1987年发射的两颗使用TOPAZ反应堆电源的卫星采用热离子发电，这些发电方式皆为静态转换发电方式。静态转换有其优点，例如没有转动部件，工作较可靠，使用寿命较长，空间姿态控制也相对容易，但不足之处是转换效率较动态转换低。例如，采用静态转换的放射性同位素电源的转换效率不足7%，但采用动态转换的放射性同位素发电系统的转换效率可达25%。据报道，宙斯号太空拖船的核动力将采用动态转换方式。对航天活动而言，提升效率的意义不言而喻，其不仅可以节省大量核燃料和工作介质，还可使困扰大功率核动力航天器的散热问题得到缓解，故而成为空间核动力研究的重要课题。

国际空间站的太阳能电池板阵列

核安全问题受到持续关注。苏联切尔诺贝利核事故、日本福岛核事故在社会上造成巨大恐慌，让公众对核安全心生疑虑。同样，空间核动力装置的安全问题如果处理不好，势必也会影响其健康发展与持续进步。

推进空间核动力安全，需重点关注以下问题。一是核燃料的安全。地面商用核电站通常采用丰度3%～5%的铀-235，而空间核反应堆为了减小临界质量，往往使用丰度高达90%及以上的铀-235。该丰度的铀-235可直接用于制造原子弹，故而需要更高级别的警戒与保护。

二是增强空间核动力装置自身的安全性。确保其即使在发射、在轨运行、寿终等阶段发生意外时尽可能将对太空环境、大气环境、水环境、

土壤环境、地质环境和生物环境的负面影响降至最低限度。据“美国太空网”报道，为确保安全，“敏捷地月空间行动演示火箭”的核发动机到达轨道后才正式启动，轨道高度约700～2000千米。在这个高度范围内，“敏捷地月空间行动演示火箭”克服大气阻力落回地球需要很长的时间，在降落地面前可耗尽所有的核燃料。

三是防止核动力卫星意外重返大气层。1978年1月，一艘在低地球轨道运行的苏联宇宙954号卫星在任务结束时因为反应堆未能与卫星分离，无法升入足够高的“墓地轨道”，结果载有空间反应堆电源的卫星再入大气层并解体，最终在加拿大西北部领土上倾洒了大量带有放射性的碎片。以此为鉴，苏联对空间核反应堆电源进行了重新设计，以确保再次出现类似事故时放射性物质能够在高空被烧毁并完全扩散。

责任编辑：刘靖鑫