為了滿足未來太陽系邊際探測、深空軌道轉(zhuǎn)移、火星載人往返等大型空間任務(wù)需求，空間核動力推進(jìn)技術(shù)成為全球研究熱點。

空間核動力技術(shù)可以突破常規(guī)能源推進(jìn)方式的各項約束，極大地提高推進(jìn)系統(tǒng)比沖，同時克服太陽能受限于對日距離的問題，在深空探測領(lǐng)域具有巨大前景。

空間核動力主要是指能量來源是核能的空間動力系統(tǒng)，其衍生概念還包括了空間核熱源、空間核電源，但空間核動力主要還是偏向于空間核能推進(jìn)系統(tǒng)。

核能推進(jìn)技術(shù)是指能量輸入為核能的核動力技術(shù)，主要包括利用核熱與熱電轉(zhuǎn)換的兩種推進(jìn)方式以及核熱/核電的雙模式推進(jìn)，還有一些正在論證的核能推進(jìn)方式，如核裂變碎片、核脈沖、核沖壓。

核熱推進(jìn)是指利用核裂變產(chǎn)生的熱能加熱推進(jìn)工質(zhì)，并由推力室噴管加速噴射而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方式。

核熱推進(jìn)最簡單的模式就是在推進(jìn)系統(tǒng)中只有一條主推進(jìn)劑管路，液氫工質(zhì)從儲罐中流出進(jìn)入泵加壓，推動渦輪做功，還有一部分氫進(jìn)入噴嘴冷卻套，這部分液氫的作用是冷卻噴嘴和預(yù)熱工質(zhì)，兩條路徑最后都進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯吸取大量熱，通過推力室以及噴管高速噴出，從而產(chǎn)生推力。

核電推進(jìn)主要是指利用核反應(yīng)堆核裂變/聚變或者放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱能通過熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能，再利用電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生推力的推進(jìn)方式。目前，大功率的空間核電推進(jìn)系統(tǒng)均是依靠反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的熱源設(shè)計。

核電推進(jìn)系統(tǒng)中如何將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)所需的電能至關(guān)重要，典型的空間熱電轉(zhuǎn)換方式主要包括斯特林、布雷頓和朗肯熱力學(xué)循環(huán)，以及溫差和熱離子發(fā)電。

在低效率條件下，溫差發(fā)電在放射性同位素動力系統(tǒng)中的使用歷史悠久，技術(shù)相對成熟與穩(wěn)定。然而，由于較大的反應(yīng)堆、輻射屏蔽和廢熱散熱器，低效率對于大功率裂變系統(tǒng)本身是一個挑戰(zhàn)。斯特林循環(huán)效率高，但不能很好地擴(kuò)展到更高的功率系統(tǒng)，而氦氙混合氣的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在更高的功率等級下表現(xiàn)更好。

目前，國外很多國家（以美國、俄羅斯、歐盟等為首）已經(jīng)在開發(fā)和布局空間核能應(yīng)用，美國NASA和俄羅斯Keldysh研究中心等國家航天研究機(jī)構(gòu)均對空間領(lǐng)域核動力技術(shù)均進(jìn)行了充分研究與長期規(guī)劃，從上世紀(jì)50年代至今，已有部分核動力航天器實現(xiàn)了空間飛行，目前已公布的信息中還有相關(guān)大型空間核動力飛行器的地面演示試驗臺情況。

早在1955年，美國原子能委員會就啟動了空間核輔助電源計劃(space nuclear auxiliary power，SNAP) ，并于1965年4月成功發(fā)射了SNAP-10A，成為人類歷史上第一個在軌運行的空間核反應(yīng)堆電源，采用溫差熱電偶發(fā)電的方式為航天器提供500W的電功率，在運行43d后被永久關(guān)閉。

此后，美國在太空任務(wù)發(fā)展規(guī)劃的優(yōu)先級上不斷進(jìn)行調(diào)整，空間核動力領(lǐng)域的有關(guān)研究雖繼續(xù)取得了重要進(jìn)展，如SP-100 計劃、應(yīng)用于運載火箭的核發(fā)動機(jī)計劃(NERVA)和普羅米修斯計劃(Prometheus)等，但再也沒有進(jìn)行實際飛行試驗和在軌應(yīng)用。

2015年7月，美國國家航空航天局(NASA)發(fā)布了詳細(xì)的《NASA技術(shù)路線圖》，面向未來20年空間探索的任務(wù)需求列出了優(yōu)先發(fā)展方向和預(yù)期研究水平。

其中在核熱推進(jìn)技術(shù)方面給出了具體的工作參數(shù): 推力111kN、比沖900s、最長單次工作時間46min、累計工作時間85～102min等，針對載人火星探測任務(wù)的預(yù)期技術(shù)成熟度達(dá)到8級;在核電推進(jìn)技術(shù)方面將空間核反應(yīng)堆電源劃分為3個功率等級: 1～10 kW應(yīng)用場景為科學(xué)任務(wù)總線電源與載人探測星表能源，10～100kW應(yīng)用場景為載人小行星探測等靈活路徑任務(wù)，1～5MW應(yīng)用場景為具有低質(zhì)量密度要求(小于5kg /kW) 的載人火星探測任務(wù)。

NASA在2020年發(fā)布的《NASA技術(shù)分類》中，分別在推進(jìn)系統(tǒng)( TX01) 及空間電源與能源儲存( TX03) 分類下對空間核動力推進(jìn)及空間核反應(yīng)堆電源進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)。

美國在空間中應(yīng)用的涉核技術(shù)主要為放射性同位素電源，如在2020 年7月30 日發(fā)射的“毅力號”( Perseverance) 火星車的動力即由多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器( MMRTG) 供應(yīng)。

目前美國最新的空間核動力計劃為千瓦級電源計劃( Kilopower) ，發(fā)電功率1～10kW，2018年3月“采用斯特林技術(shù)的千瓦級反應(yīng)堆”項目(KRUST) 的1kW演示機(jī)獲得成功，成為40年來首個進(jìn)行完全測試的空間核裂變反應(yīng)器。

自上世紀(jì)50年代開始，蘇聯(lián)同期對空間核動力開展了廣泛且深入的研究，以BUK型溫差熱電轉(zhuǎn)換的空間核電源為代表的動力裝置在“宇宙”系列偵察衛(wèi)星中先后完成了數(shù)十次成功在軌應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上還成功發(fā)射TOPAZ-Ⅰ型熱離子轉(zhuǎn)換核電源實現(xiàn)在軌應(yīng)用，并完成了TOPAZ-Ⅱ型核電源的全尺寸樣機(jī)研制及地面測試，為空間核動力的技術(shù)發(fā)展積累了大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)。隨著蘇聯(lián)解體，相關(guān)研究也由于經(jīng)費不足而步入低潮。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，著力發(fā)展深空探測的國家戰(zhàn)略讓俄羅斯重拾空間核動力研究。2008年4月24日俄羅斯政府批準(zhǔn)了《2020年前及以后俄羅斯聯(lián)邦在空間活動領(lǐng)域政策的原則》，表明俄羅斯政府對于全面開展空間研究、探索和利用的重要需求，時任總統(tǒng)梅德韋杰夫批準(zhǔn)了總值170億盧布的航天核動力系統(tǒng)計劃。

俄羅斯有關(guān)方面經(jīng)過技術(shù)論證，認(rèn)為核熱推進(jìn)研發(fā)成本過高且應(yīng)用場景有限，而俄羅斯近年來在電推進(jìn)方面取得的技術(shù)進(jìn)步，提升了核電推進(jìn)方案的技術(shù)可行性，因而決定集中力量對大功率熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并與歐盟國家開展了廣泛的國際合作。

2009 年12月俄羅斯航天局宣布，將開發(fā)用于行星間載人或無人任務(wù)的兆瓦級空間核動力飛行器———運輸動力模塊( TEM) ，由Keldysh研究中心和Energiya航天公司聯(lián)合設(shè)計，力圖突破空間核動力關(guān)鍵技術(shù)。該兆瓦級空間核動力飛船由空間核電源系統(tǒng)進(jìn)行供電，支持電推進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)深空探測任務(wù)，采用超高溫氣冷快堆+ 閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電+熱管/液滴輻射散熱的技術(shù)方案。該空間核動力飛船最早于2012年完成系統(tǒng)初步設(shè)計，迄今為止，又經(jīng)歷了多次方案變化，對承重桁架設(shè)計、散熱系統(tǒng)配置、空間結(jié)構(gòu)布局等方面進(jìn)行了調(diào)整完善。

2018年10月，對核動力發(fā)動機(jī)裝置的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了地面測試; 同年12月，Keldysh 研究中心宣布了在露天場所進(jìn)行測試的準(zhǔn)備工作。

2019 年，俄羅斯國家航天集團(tuán)公司稱其已經(jīng)開發(fā)了設(shè)計文檔并測試了TEM 模型的組件，Keldysh研究中心還因為該項目進(jìn)度延誤被罰款1. 5億盧布。

2020年9月，俄羅斯軍火庫設(shè)計局( KB Arsenal) 開始著手組裝核動力飛船，計劃在2030年前將第一艘核動力太空拖船送入軌道并開展飛行試驗。根據(jù)飛行計劃，第一階段，拖船將與有效載荷模塊?？吭谔罩胁⒌竭_(dá)月球，對其進(jìn)行探測并將一顆研究衛(wèi)星留在其軌道上; 第二階段，將繼續(xù)飛往金星并在途中進(jìn)行補(bǔ)加氙氣燃料的測試，在金星上一顆研究衛(wèi)星也將從有效載荷模塊中分離出來; 而拖船本身與其余的科學(xué)設(shè)備將進(jìn)行引力機(jī)動，進(jìn)入第三階段到達(dá)木星衛(wèi)星的飛行任務(wù)，最終對其進(jìn)行研究。

歐盟在空間核動力領(lǐng)域的最新政策主要圍繞面向2030—2040 年的兆瓦級國際空間核電推進(jìn)(INPPS)飛船進(jìn)行開展，現(xiàn)階段主要支持了DiPoP、MEGAHIT、DEMOCRITOS這3個項目的發(fā)展，在項目中充分開展以俄羅斯為代表的國際合作。

最新的DEMOCRITOS 即“電推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器、反應(yīng)堆、輻射器、推進(jìn)器演示驗證”項目，由英國NN、德國DLR、俄羅斯Keldysh研究中心、意大利TAS、法國ASL、ESF、CNES等核領(lǐng)域和航天領(lǐng)域的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)合作開展，巴西IEA作為觀察員。技術(shù)路線為建立200kW的閉式布雷頓循環(huán)，將熱管輻射反應(yīng)堆的熱量轉(zhuǎn)換成電推力器所需的電能。目前正在進(jìn)行單機(jī)設(shè)計以及地面演示驗證裝置基準(zhǔn)測試初步設(shè)計，計劃在2023 年進(jìn)行全系統(tǒng)試驗。

DEMOCRITOS 項目目前已經(jīng)完成了1 MW 量級核電推進(jìn)太空飛船初步設(shè)計，并針對木衛(wèi)二和火星探測任務(wù)給出了兩套整體方案，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行的空間環(huán)境與系統(tǒng)要求的不同，分別采用了不同的反應(yīng)堆防護(hù)層和散熱器結(jié)構(gòu)，最終目標(biāo)達(dá)到向木衛(wèi)二運送12t貨物以及向火星運送18t貨物的能力。

在法國的推動下，2019 年歐空局( ESA) 發(fā)布了最新的《空間核電源使用安全政策》，“針對上世紀(jì)八九十年代歐空局與NASA 的聯(lián)合核動力任務(wù)以來，有關(guān)核活動的安全標(biāo)準(zhǔn)、最佳實踐、公眾認(rèn)知、透明度和審查要求等所取得的重大進(jìn)展”，建立了適應(yīng)最新發(fā)展要求的空間核動力領(lǐng)域的安全準(zhǔn)則框架，為未來的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用奠定了政策基礎(chǔ)。

中國早在1949年就率先由錢學(xué)森提出了發(fā)展核火箭的構(gòu)想，并于1958 年在原北京航空學(xué)院設(shè)立了核火箭發(fā)動機(jī)系。其后，受國際應(yīng)用趨勢和國內(nèi)發(fā)展方向影響，有關(guān)研究一度陷入停滯。進(jìn)入21世紀(jì)后，空間核動力推進(jìn)逐漸被重新提上日程。

然而目前我國在空間核動力推進(jìn)領(lǐng)域尚未有國家層面的發(fā)展規(guī)劃出臺，技術(shù)儲備仍然比較薄弱，相關(guān)的科研力量也較為分散，雖然在各子系統(tǒng)的重點技術(shù)方面進(jìn)行了一定的理論可行性研究與性能提升工作，但是仍缺乏系統(tǒng)級的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，難以形成研究合力。結(jié)語

目前，大多數(shù)國家都涉足了空間核動力方案的探索，尤其是美國、俄羅斯等航天強(qiáng)國。綜合各國的技術(shù)發(fā)展路徑和最新研究成果來看，由于極高的能量密度和運行穩(wěn)定性，發(fā)展空間核動力飛行器是未來深空探測的必由之路。各個國家也根據(jù)自身技術(shù)條件確定了適合自己的發(fā)展路線，超大功率核電推進(jìn)逐漸成為近年來該領(lǐng)域的主流選擇。

現(xiàn)階段我國亟需在充分論證的基礎(chǔ)上建立中長期的相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，盡早布局深空探測領(lǐng)域的核動力整體方案，識別關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向，同時以高端工業(yè)制造能力的提升促進(jìn)空間核動力未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國內(nèi)現(xiàn)階段已經(jīng)認(rèn)識到推進(jìn)新型空間動力能源方案的重大意義，對于各子系統(tǒng)零部件也具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，還需要抓住機(jī)遇迎頭趕上。