廖宏圖

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112）

空間核動(dòng)力技術(shù)概覽與發(fā)展脈絡(luò)初探

廖宏圖1，2

（1.上海空間推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112）

在概略介紹現(xiàn)有技術(shù)方案基礎(chǔ)上，初步探討空間核動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，并分析其未來發(fā)展方向?；诠腆w核反應(yīng)堆的空間核電源、核電推進(jìn)及核熱推進(jìn)，是經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可行、具有一定技術(shù)基礎(chǔ)并可預(yù)期實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的空間核動(dòng)力技術(shù)。更先進(jìn)的概念方案包括：基于氣體核反應(yīng)堆的核電源/核熱推進(jìn)、脈沖核爆推進(jìn)、核裂變碎片推進(jìn)等，它們的性能逐代跨越直至逼近理論極限。要充分利用核能的潛力，一方面需要提高單位質(zhì)量核燃料的核能釋放率，另一方面也需要減少核反應(yīng)產(chǎn)物動(dòng)能轉(zhuǎn)換為無軌熱運(yùn)動(dòng)的比率。核能潛力的充分利用需要以增加系統(tǒng)質(zhì)量為代價(jià)。為滿足未來寬廣的空間任務(wù)需求，多物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)的大深度變工況一體化核能空間動(dòng)力系統(tǒng)是未來必然發(fā)展趨勢。

空間核電源；核推進(jìn)；技術(shù)方案；先進(jìn)概念

0 引言

能源在航天領(lǐng)域處于核心地位，人類的航天能力直接取決于所能夠駕馭的能量強(qiáng)弱。化學(xué)能是目前航天動(dòng)力的主要能源，其技術(shù)已經(jīng)趨于完美，但也接近了其理論極限。為實(shí)現(xiàn)更快、更遠(yuǎn)、更廣、更大規(guī)模的目標(biāo)，需要找到新的更強(qiáng)大能源?？v觀近、現(xiàn)代科學(xué)的當(dāng)前發(fā)展成果，唯有核能有可能成為幫助人類進(jìn)入更深邃廣遨宇宙空間的新一代的強(qiáng)大能源。

自二戰(zhàn)末核武器用于實(shí)戰(zhàn)以來，其巨大威力深深震撼了整個(gè)人類，由此也驅(qū)動(dòng)了核能和平利用事業(yè)的蓬勃發(fā)展，這其中就包括了核能的空間利用技術(shù)。

上世紀(jì)五十至七十年代是空間核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的鼎盛時(shí)期［1-2，6］，其間所開發(fā)的小微功率空間核電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用多年并成為以后各新型號(hào)的發(fā)展基礎(chǔ)；固堆核熱火箭原型樣機(jī)已經(jīng)研制成功，盡管沒有實(shí)際空間應(yīng)用，但已經(jīng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著空間開發(fā)需求的不斷提高，尤其為了滿足載人深空探測的需要，核能的空間利用再次成為發(fā)展熱點(diǎn)，并以大功率核電源、大推力/大功率核推進(jìn)為發(fā)展重點(diǎn)。可以預(yù)期，以現(xiàn)有的發(fā)展基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的近期發(fā)展，空間核動(dòng)力技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用并非遙不可期。

基于目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，在空間推進(jìn)領(lǐng)域有兩種核能利用方式［1］：a）將核能轉(zhuǎn)換為電能再驅(qū)動(dòng)電推力器轉(zhuǎn)換為推進(jìn)劑的定向噴射動(dòng)能；b）利用核反應(yīng)釋能直接加熱推進(jìn)劑然后導(dǎo)入熱噴管轉(zhuǎn)換為噴射動(dòng)能。前者稱為核電推進(jìn)，后者稱為核熱推進(jìn)。

核電推進(jìn)因?yàn)椴捎昧穗姶艌黾铀賻щ娏Ｗ拥姆绞?，所以加速效率很高，可以?shí)現(xiàn)很高的比沖，但需要經(jīng)過核熱能-電能-定向噴氣動(dòng)能多重能量轉(zhuǎn)換過程，不僅能源利用率低，而且相應(yīng)需要更多的組件質(zhì)量，推重比極低，推力不能太大；與之相反，核熱推進(jìn)則利用熱噴管將核熱能直接轉(zhuǎn)換為定向噴射動(dòng)能，避免了多重能量轉(zhuǎn)換過程中的能量損失及組件質(zhì)量要求，所以能源利用率高，可實(shí)現(xiàn)很高推重比，獲得與化學(xué)火箭相當(dāng)?shù)耐屏?，但熱力學(xué)原理限制了其加速效率，比沖顯著低于核電推進(jìn)，與化學(xué)推進(jìn)同量級(jí)。

無論核電推進(jìn)還是核熱推進(jìn)，其得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是作為核能釋放裝置的空間核反應(yīng)堆。核反應(yīng)堆在前者作為熱電源的熱源，而在后者作為加熱推進(jìn)劑的熱源。所以，不管那種推進(jìn)方式，核反應(yīng)堆的工作方式、工作性能直接決定了整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的總體性能。

固體核裂變反應(yīng)堆是目前人類掌握的唯一可控核能釋放裝置，所以目前研制成功或近期內(nèi)在研的空間核電源、核熱推進(jìn)都采用固堆方式。因?yàn)橄到y(tǒng)工作原理不同，所以對(duì)核反應(yīng)堆的性能要求也有所區(qū)別，而決定整個(gè)系統(tǒng)性能的要素也有所區(qū)別。

固體核反應(yīng)堆需要將核能釋放速率控制在很小的數(shù)值上以維持燃料堆的固體形態(tài)，遠(yuǎn)未能充分利用核能的巨大潛力。要進(jìn)一步提高性能，必需去除固態(tài)限制，讓反應(yīng)堆工作于氣體（等離子體）形態(tài)，此即氣體核反應(yīng)堆，這是未來的必然發(fā)展方向；另一方面，核電推進(jìn)與核熱推進(jìn)的工作性能具有互補(bǔ)性，二者聯(lián)合工作，乃至研制多物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)一核推進(jìn)裝置，構(gòu)建一體化聯(lián)合空間核動(dòng)力系統(tǒng)，可以滿足未來相當(dāng)寬廣的空間任務(wù)需求，展現(xiàn)了一幅非常誘人的、也具有可實(shí)現(xiàn)性和可操作性的發(fā)展藍(lán)圖。

本文首先簡要介紹目前技術(shù)狀態(tài)比較成熟的基于固體核反應(yīng)堆的空間核動(dòng)力技術(shù)，以及其它一些比較先進(jìn)的典型空間核動(dòng)力概念方案，然后根據(jù)這些內(nèi)容探討空間核動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。

1 基于固體核反應(yīng)堆的空間核動(dòng)力裝置

1.1 固體核反應(yīng)堆［1-2］

核反應(yīng)堆是可控核能釋放與收集裝置。在其中按特定方式放置和約束核燃料，通過適當(dāng)方式控制核反應(yīng)的啟動(dòng)、關(guān)閉及能量釋放功率，并以適當(dāng)方式及時(shí)將核反應(yīng)釋放的能量收集引出后導(dǎo)入其它專門的能量轉(zhuǎn)換裝置（芯外轉(zhuǎn)換），或者直接在反應(yīng)堆內(nèi)部實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換（芯內(nèi)轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)核能的可控利用。核反應(yīng)堆中核燃料的物理和化學(xué)形態(tài)決定了核反應(yīng)堆的基本類型，也決定了可資利用的約束方式和能量收集方式。

固體核反應(yīng)堆中的核燃料為固態(tài)，通過核燃料單元的密集堆積實(shí)現(xiàn)約束，而可用的能量收集方式就是由流體工質(zhì)通過換熱方式將以熱能形式釋放的核能帶出。因此，此類核反應(yīng)堆是由多個(gè)具有適當(dāng)幾何形狀的固體核燃料單元堆棧而成，每個(gè)燃料單元內(nèi)按適當(dāng)方式和密度鑿出若干通孔作為與流體工質(zhì)的換熱流道。固體核反應(yīng)堆可靠工作的關(guān)鍵在于由核反應(yīng)強(qiáng)度決定的核能釋放功率與由流體換熱工質(zhì)水力特性決定的換熱功率的處處匹配。

核能量來源于核反應(yīng)。有兩種激發(fā)核反應(yīng)的基本機(jī)制：放射性衰變和粒子轟擊核反應(yīng)。前者是自發(fā)且隨機(jī)的，因此是不可控的；后者則是有條件的，所以可以通過控制這些條件的滿足情況實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)的控制。核裂變、核聚變是目前已知的能夠釋放能量的兩類粒子轟擊核反應(yīng)，前者通過分裂核素釋放能量而后者通過聚合核素釋放能量?；谥凶愚Z擊的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)是現(xiàn)代核工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)，因?yàn)榇祟惙磻?yīng)存在一個(gè)非常確定的臨界體積，通過控制反應(yīng)堆體積與臨界體積的接近程度就可以控制核反應(yīng)的進(jìn)行。固體中子轟擊核裂變反應(yīng)堆是目前唯一實(shí)現(xiàn)人工控制的核反應(yīng)裝置。通過電磁約束的氣體核聚變反應(yīng)堆是人們努力實(shí)現(xiàn)的核聚變控制裝置，但目前尚未實(shí)現(xiàn)凈能量輸出，離應(yīng)用尚有待時(shí)日。

1.2 基于固體核反應(yīng)堆的空間核電源及核電推進(jìn)［3］

核電源就是將以熱能形式由核反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能。決定核電源類型的要素是：核燃料物理化學(xué)形態(tài)、熱電轉(zhuǎn)換方式、熱電轉(zhuǎn)換場所（芯內(nèi)轉(zhuǎn)換/芯外轉(zhuǎn)換）。

目前在空間固體核反應(yīng)堆電源中常用的熱電轉(zhuǎn)換方式有兩類：靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換及動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換。它們都是利用冷端和熱端間的溫度差將熱能轉(zhuǎn)換為電能。其中，靜態(tài)方式是利用某些熱電物理效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換；動(dòng)態(tài)方式需要循環(huán)工質(zhì)在熱端和冷端間交換熱量的同時(shí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械切割磁力線做功而將熱能轉(zhuǎn)變換成電能。前者結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但效率低，適用于小微功率核電源；后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)節(jié)多，但效率高，適用于大中功率及以上的核電源。

無論哪種類型的熱電轉(zhuǎn)換，都基于熱力學(xué)中的熱-功轉(zhuǎn)換原理，其基本要求是：熱源、冷源及二者之間的熱功轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換效率決定于冷/熱源間的溫差，轉(zhuǎn)換速率（即功率）決定于冷熱源間流過熱功轉(zhuǎn)換裝置的熱流量。熱源溫度受限于反應(yīng)堆熱載能力，尤其對(duì)于固體核反應(yīng)堆，必須保證核燃料不熔化；在航天器這個(gè)特殊場合，宇宙空間是唯一的冷源，而且只能以輻射方式耗散余熱，因此必需設(shè)計(jì)高效的輻射散熱器，這是決定空間核電源乃至整個(gè)航天器總體性能的關(guān)鍵要素之一。為提高空間核電源的輸出功率，需要盡快地、盡可能多地將余熱輻射到宇宙空間中，因而需要更大的散熱面積和更高的散熱溫度，但前者意味著需要更多的質(zhì)量用于散熱器，后者意味著更小的冷/熱源溫差（熱源溫度受限），因而更小的熱電轉(zhuǎn)換效率，為保證足夠的輸出電功率就需要更大的反應(yīng)堆，這進(jìn)一步惡化了系統(tǒng)乃至整個(gè)航天器質(zhì)量特性。因此，設(shè)計(jì)空間核電源時(shí)，需要以系統(tǒng)總質(zhì)量最小為目標(biāo)優(yōu)化熱力循環(huán)參數(shù)及熱電轉(zhuǎn)換方式。

美國和前蘇聯(lián)在上世紀(jì)中葉分別研制成功的放射性同位素核電池及小功率固體核反應(yīng)堆電源都采用了芯內(nèi)靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換方式，系統(tǒng)質(zhì)量/輸出電功率比分別達(dá)到186 kg/kWe和200 kg/kWe。更新研制的更大功率空間核電源都是固體核反應(yīng)堆類型，并大多采用芯外動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，極少數(shù)采用芯外靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換，輸出電功率100 kWe到數(shù)兆瓦，熱電效率20～30%，個(gè)別超過30%，系統(tǒng)質(zhì)量/輸出電功率比最低能達(dá)到20 kg/kWe左右。

更先進(jìn)的核電源采用磁流體效應(yīng)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換［6］。其主要優(yōu)勢就是轉(zhuǎn)換過程中熱流體無需與固體表面接觸，工作溫度高，所以熱電效率高且散熱器質(zhì)量低。原理樣機(jī)試驗(yàn)表明，空間固堆磁流體核電源熱電效率達(dá)50%～60%，系統(tǒng)質(zhì)量/輸出電功率比達(dá)2～5 kg/kWe。

核電推進(jìn)就是利用核電源輸出的電能驅(qū)動(dòng)電推力器?？臻g核電源可以提供充足的電力，而電推進(jìn)可以獲得很高的比沖（數(shù)千到數(shù)萬秒），所以核電推進(jìn)是一種很理想的工作模式。不過，因?yàn)殡娡屏ζ魍屏?輸入電功率比及推重比很小，而空間核電源的系統(tǒng)質(zhì)量/輸出電功率比很大，所以需要很大的全系統(tǒng) （電源+電推進(jìn)系統(tǒng)）質(zhì)量才能獲得足夠的推力，全系統(tǒng)推重比很小，限制了核電推進(jìn)的應(yīng)用范圍。

核電推進(jìn)系統(tǒng)包括4個(gè)分系統(tǒng)：核反應(yīng)分系統(tǒng)（核反應(yīng)堆）、能量轉(zhuǎn)換分系統(tǒng)（熱電轉(zhuǎn)換裝置）、功率處理與分配分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)。每個(gè)分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，通過熱、電和機(jī)械界面相連。各種類型的電推力器，包括靜電式和電磁式，都可用于核電推進(jìn)。前者如柵網(wǎng)離子型（GIT）、霍爾效應(yīng)型 （HALL），后者如磁等離子體動(dòng)力學(xué)型 （MPD）、電磁脈沖感應(yīng)型 （PIT）。每種推力器都有自己的優(yōu)勢和劣勢，適用的空間任務(wù)范圍也有所不同；它們的當(dāng)前研制狀態(tài)和性能參數(shù)離應(yīng)用要求有一段距離，各自需要突破的技術(shù)難點(diǎn)也有所區(qū)別。

1.3 基于固體核反應(yīng)堆的核熱推進(jìn)［1-2］

固堆核熱推進(jìn)直接以換熱工質(zhì)為推進(jìn)劑，在獲取堆芯熱量并引出后直接導(dǎo)入熱噴管將熱能轉(zhuǎn)換成定向噴氣動(dòng)能產(chǎn)生推力。因?yàn)闊o需任何能量轉(zhuǎn)換裝置，所以結(jié)構(gòu)緊湊，推重比遠(yuǎn)高于核電推進(jìn)。不過，此類熱推力器的理想比沖與噴管入口流體總溫的1/2次方成正比，但固體核反應(yīng)堆的最高工作溫度受限于核燃料熔點(diǎn)，限制了入口溫度的上升，這是限制其比沖的主要因數(shù)；采用分子量最小的氫氣為推進(jìn)劑，可以在受限溫度下獲得最大比沖。

固體核熱推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是核燃料的物理化學(xué)形態(tài)［5］，重點(diǎn)在于研制耐高溫、氫腐、強(qiáng)沖刷的高性能固體核燃料。在二十世紀(jì)六七十年代美國ROVER/NERVR計(jì)劃期間，以及前蘇聯(lián)的核熱火箭計(jì)劃中，所研制的各種試驗(yàn)和原型樣機(jī)，采用的核燃料有4種類型：石墨基UC2，石墨基復(fù)合（U，Zr）C，UO2-W金屬陶瓷CERMET，二重 （U，Zr）C或三重 （U，Zr，Nb）C碳化金屬固溶體，能夠達(dá)到的反應(yīng)堆出口溫度/理論比沖分別是：2 500 K/850 s，2 700 K/900 s，2 900 K/930 s，3 100 K/975 s。這些樣機(jī)最小推力6.8 t、最大推力近100 t，最長持續(xù)工作時(shí)間近2 h。盡管取得這些成果，但燃料爆裂損傷和腐蝕問題始終沒有得到很好解決。為解決這些問題，除了尋找更高性能的燃料物理化學(xué)形態(tài)外，還需要改進(jìn)堆芯結(jié)構(gòu)。

堆芯結(jié)構(gòu)是固堆核熱推進(jìn)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，不僅決定了能夠達(dá)到的最高推重比，也是解決燃料壽命問題的關(guān)鍵因素。盡管推重比遠(yuǎn)高于核電推進(jìn)，但因?yàn)轭~外增加了反應(yīng)堆質(zhì)量，所以一般情況下，推重比與化學(xué)推進(jìn)相比仍然有較大差距?？s小此差距的根本途徑在于：盡可能提高堆芯的熱功率密度并讓這些釋放的熱量及時(shí)交換給推進(jìn)劑，從而提高推力/反應(yīng)堆質(zhì)量比。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。另一方面，已研制成功的核熱火箭樣機(jī)所出現(xiàn)的影響燃料壽命問題，經(jīng)過分析，根本原因在于堆芯各處的核反應(yīng)釋熱功率與換熱功率的不匹配，造成在固體域內(nèi)部出現(xiàn)很高的溫度梯度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。要解決此類問題，堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的堆芯結(jié)構(gòu)包括：美國ROVER/NERVR計(jì)劃期間所研制的軸流式六棱柱蜂巢堆棧型、美國星球大戰(zhàn)期間研制的徑流式顆粒床型、前蘇聯(lián)核熱火箭樣機(jī)采用的軸流式交織網(wǎng)堆棧型，這其中后者的效果相對(duì)好些。它們能夠達(dá)到的推重比除顆粒床型＞30外，其余約6～8。更新的正在研制的方案包括：徑流式槽環(huán)堆棧型、徑流式薄片卷筒型、泡沫燃料型等。其中的最后一種類型將燃料物理化學(xué)形態(tài)的形成與堆芯結(jié)構(gòu)的形成同時(shí)進(jìn)行，采用此型核燃料構(gòu)成堆芯結(jié)構(gòu)的固體核熱推進(jìn)的預(yù)期總體性能最高。

通過構(gòu)建獨(dú)立的閉式循環(huán)，從核熱推進(jìn)的反應(yīng)堆中引出熱能進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，此即核熱推進(jìn)/核熱發(fā)電雙模式核能空間動(dòng)力系統(tǒng)；此外，進(jìn)一步通過在氫噴管的超音速段噴入氧氣，可以實(shí)現(xiàn)氧增強(qiáng)燃燒型核熱推進(jìn)，此即推進(jìn)/發(fā)電/氧增強(qiáng)三模式核能空間動(dòng)力系統(tǒng) （TRITON）［4］。氧增強(qiáng)燃燒盡管比沖有所降低，但可以大幅提高推重比 （650 s比沖前提下可將推重比提高4倍），這在脫離/俘獲天體重力場的入軌/脫軌任務(wù)中，可以有效減少重力損失，提高航天器總體性能。

2 其他先進(jìn)空間核動(dòng)力技術(shù)概念方案［6］

2.1 基于氣體核反應(yīng)堆的空間核動(dòng)力裝置

從以上介紹可以看到，無論作為核電源的高溫?zé)嵩?，還是作為核熱推進(jìn)的加熱熱源，核反應(yīng)堆的工作溫度越高，相應(yīng)的核動(dòng)力裝置的工作性能越高。為擺脫核燃料熔點(diǎn)限制，就必須讓反應(yīng)堆工作于氣態(tài)/等離子體態(tài)，此即氣體核反應(yīng)堆。氣體核反應(yīng)堆的最主要困難在于：1）如何保護(hù)容器壁不受高溫環(huán)境影響；2）如何有效約束處于核反應(yīng)狀態(tài)的氣態(tài) （等離子體態(tài)）核燃料，避免無用損耗并按要求的速率反應(yīng)。

對(duì)于氣體核反應(yīng)堆電源，一種具有獨(dú)創(chuàng)性的方案是氣堆磁流體：直接以適當(dāng)化學(xué)形態(tài)（比如鹵化金屬態(tài)，熔點(diǎn)1 000℃左右）的鈾蒸汽作為循環(huán)工質(zhì)；其中的反應(yīng)堆僅僅是一個(gè)足夠體積的空腔，液態(tài)鈾燃料進(jìn)入其中后即可達(dá)到臨界產(chǎn)生鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，釋放的能量加熱自身并致其氣化和離解，形成氣態(tài)電解質(zhì)等離子體（由完全離解的正、負(fù)離子組成），隨后在磁流體發(fā)電機(jī)中發(fā)電并液化后返回反應(yīng)堆。因?yàn)槭情]式循環(huán)，所以無需擔(dān)心燃料的無用損耗；因?yàn)楣ぷ鳒囟让黠@低于容器熔點(diǎn)，所以無需擔(dān)心熱防護(hù)問題。此方案結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，而磁流體發(fā)電能夠保證足夠高的熱電效率，所以可以獲得非常低的比質(zhì)量，達(dá)到0.5 kg/kWe。

對(duì)于氣堆核熱推進(jìn)，因?yàn)樾枰谌剂吓c推進(jìn)劑之間交換熱量，而推進(jìn)劑循環(huán)又是開式的，所以必須解決燃料損耗問題；更重要的是：比沖與噴管入口推進(jìn)劑溫度的1/2次方成正比，所以，要顯著提高比沖，就必須大幅提高反應(yīng)堆工作溫度，這使得熱防護(hù)問題尤為突出。有兩類解決方案：閉式和開式。前者將燃料約束于密閉腔中反應(yīng)而通過透光石英玻璃以電磁輻射形式與推進(jìn)劑交換能量。因?yàn)楣ぷ鳒囟葮O高 （數(shù)萬度），能否找到這種玻璃存疑。后者的氣態(tài)燃料與推進(jìn)劑直接接觸以交換熱量，通過某種方法只約束核燃料而讓推進(jìn)劑自由通過。開式循環(huán)的關(guān)鍵是約束方法，研究表明，通過構(gòu)建合適的流場形態(tài)并施以合適的電磁約束，可以實(shí)現(xiàn)只約束核燃料的目的。氣堆核熱推進(jìn)比沖能達(dá)到2 000 s以上，上世紀(jì)七十年代進(jìn)行的原理樣機(jī)試驗(yàn)曾達(dá)到1 350 s。

2.2 脈沖核爆推進(jìn)

因?yàn)闊o需額外存儲(chǔ)推進(jìn)劑及額外的能量轉(zhuǎn)換過程，以核反應(yīng)產(chǎn)物為推進(jìn)劑的核推進(jìn)方案具有更大的潛力獲得更高的比沖和更大的推重比。另一方面，要獲得最理想的比沖性能就必須讓核燃料瞬間完全反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸，所產(chǎn)生的能量直接驅(qū)動(dòng)反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)磁噴管定向噴射產(chǎn)生推力，而非逐步釋放。為保證核爆規(guī)模在可控制范圍內(nèi)，每次核爆釋能必須足夠小，即每次只能引爆足夠小質(zhì)量的核燃料，以脈沖方式推動(dòng)飛船前進(jìn)，這就是脈沖核爆推進(jìn)。不同的引爆方法構(gòu)成不同的脈沖核爆推進(jìn)方案。因?yàn)槿匀恍枰紫葘⒑四苻D(zhuǎn)換為熱能，再由熱噴管轉(zhuǎn)換為推進(jìn)動(dòng)能，所以脈沖核爆推進(jìn)仍然屬于核熱推進(jìn)范疇。

核燃料顆粒/粒子團(tuán)產(chǎn)生核爆炸的條件是內(nèi)部中子的產(chǎn)生率 （或在聚變反應(yīng)中發(fā)生聚變反應(yīng)的核子數(shù)）高于從其表面的逸出率。當(dāng)核燃料被壓縮，密度升高后，中子與燃料原子核 （或在聚變反應(yīng)中的相互反應(yīng)原子核）之間的碰撞概率升高而從表面逸出的概率降低，因而內(nèi)部中子產(chǎn)率（或在聚變反應(yīng)中的反應(yīng)核子數(shù)）的升高幅度將大于從表面逸出率的升高幅度，壓縮到一定程度后將達(dá)到臨界而爆炸；或者，從另一方面說，壓縮比率越高，所需要燃料的臨界質(zhì)量越小，只要能夠達(dá)到足夠高的壓縮率，就可獲得在允許規(guī)模下的可控序列微型核爆炸用于空間推進(jìn)。不同的引爆方法實(shí)質(zhì)就是不同的核燃料壓縮方法。

有多種實(shí)驗(yàn)或理論證明有效的核燃料壓縮方法，如：a）利用瞬間強(qiáng)電流與其誘導(dǎo)的強(qiáng)磁場相互作用產(chǎn)生向內(nèi)洛倫茲力的固體燃料顆粒的磁致壓縮；b）磁化約束與等離子體射流融合技術(shù)相結(jié)合的磁化標(biāo)靶壓縮；c）利用磁化電子云約束并壓縮帶電燃料粒子團(tuán)的慣性靜電壓縮；d）慣性約束與束流靶標(biāo)技術(shù)相結(jié)合的多機(jī)制壓縮。其中，a）只能用于核裂爆；b）至d）既可用于核裂爆，也可用于核聚爆。

脈沖核爆推進(jìn)可在保證高比沖 （104～105 s量級(jí)）的同時(shí)獲得很高推力 （平均數(shù)十到數(shù)百噸），可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的快速行星際飛行以致恒星際飛行。

2.3 核裂變碎片推進(jìn)

核裂變能量的最初載體就是裂變碎片，而且以定向動(dòng)能的方式存在，如果能夠讓這些高能碎片直接定向釋放，而不是先轉(zhuǎn)換到無規(guī)運(yùn)動(dòng)的熱能再由熱噴管轉(zhuǎn)換為定向噴射動(dòng)能，則可以獲得比核熱推進(jìn)高得多的比沖，接近于106 s的理論極限，這就是核裂變碎片推進(jìn)。裂變碎片推進(jìn)的另一優(yōu)勢就是不必處理棘手的極高溫等離子體，因而極大減輕了系統(tǒng)質(zhì)量，所以推重也極高。

實(shí)現(xiàn)核裂片推進(jìn)的關(guān)鍵是：只允許指定運(yùn)動(dòng)方向的裂變碎片逃逸，從而產(chǎn)生特定方向的推力，同時(shí)遲滯直至阻停其它運(yùn)動(dòng)方向的裂變碎片，這些方向的碎片動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱釋放到宇宙空間中或用于發(fā)電。目前提出的裂片碎片推進(jìn)型式有：旋轉(zhuǎn)細(xì)絲型、裂變帆型及磁約束微塵等離子體型。前兩者為固體方案，后者為氣體方案。

固體方案是最早提出的方案，設(shè)計(jì)時(shí)遇到的最大困難在于：如何在保證足夠空隙度以釋放裂變碎片的條件下達(dá)到臨界，并以接近逸出表面處的臨界指數(shù)最高。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)需要特殊的中子聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

磁約束微塵等離子體方案是近年提出的一種更為可行的方案，其特征在于：采用磁約束技術(shù)將帶電納米燃料顆粒約束于與壁面保持一定距離的空間區(qū)域內(nèi) （這點(diǎn)類似于磁約束聚變反應(yīng)堆），并保證其密度達(dá)到臨界以引發(fā)鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)；設(shè)計(jì)特殊的兩端聚焦磁鏡結(jié)構(gòu)，只允許裂變碎片沿一個(gè)維度 （軸線）的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)而阻滯其它維度的運(yùn)動(dòng)。該兩個(gè)方向中，其中一個(gè)為噴流方向，只有沿此方向動(dòng)量足夠高的裂變碎片才能穿過磁頸逃逸到宇宙空間中，這是產(chǎn)生推力的方向；另一個(gè)方向?yàn)殡姼袘?yīng)方向，沿此方向的裂變碎片切割磁力線做功，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能由周圍導(dǎo)線輸出，這是發(fā)電方向。類似于磁約束聚變反應(yīng)堆，該方案的困難在于如何生成足夠強(qiáng)大的具有特定磁鏡結(jié)構(gòu)的磁場。

3 空間核動(dòng)力技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)初探

基于是否直接以核反應(yīng)產(chǎn)物作為推進(jìn)劑，可以將各種核推進(jìn)形式分成2大類：產(chǎn)物利用類與產(chǎn)物未利用類。脈沖核裂爆/聚爆推進(jìn)、核裂變碎片/核聚變推進(jìn)，屬于產(chǎn)物利用類；固堆核熱推進(jìn)、氣堆核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)，屬于產(chǎn)物未利用類。無論哪一類，比沖和推重比都是決定其性能的兩個(gè)最重要指標(biāo)，但不同類推進(jìn)方式影響該兩項(xiàng)性能的要素有所不同。

推進(jìn)系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)能量釋放/轉(zhuǎn)換裝置：將封存于某種束縛機(jī)制下的可用能量釋放出來，并轉(zhuǎn)換成推進(jìn)劑的定向噴射動(dòng)能。核推進(jìn)系統(tǒng)釋放的是核能，但核能的質(zhì)量密度極高，為了能夠可靠駕馭這些能量，其釋放形式只能有兩種：微小質(zhì)量的燃料球瞬時(shí)全部釋放以及以可控的速率緩慢消耗大塊燃料內(nèi)的質(zhì)量。前者就是脈沖核爆推進(jìn)，其它推進(jìn)方式都屬后者。

核裂變能量的最初載體是裂變碎片，而且以定向動(dòng)能的方式存在，在沒有任何約束條件下，這些碎片所攜帶的定向動(dòng)能將由于碰撞而迅速耗散成無規(guī)運(yùn)動(dòng)的熱能，迅速提高燃料本身及其載體的溫度；密度越高，耗散速率越快，溫度上升越快。對(duì)于產(chǎn)物利用核推進(jìn)類，可以有2種方式利用核裂變能量：碎片定向動(dòng)能直接利用以及轉(zhuǎn)換成熱能后再利用。前已闡明，碎片推進(jìn)是一種最理想的核裂變推進(jìn)方式，擁有接近理論值的比沖，但需要找到規(guī)范碎片動(dòng)量的可靠的約束機(jī)制，而要規(guī)范擁有如此巨大動(dòng)量的碎片需要極強(qiáng)的約束，所需要的相關(guān)系統(tǒng)質(zhì)量很大，并隨著推力增大而迅速增加，因此其推重比很小。轉(zhuǎn)換成熱能后再利用的產(chǎn)物利用核推進(jìn)類，實(shí)際上就是脈沖核爆推進(jìn)，因?yàn)榇嬖跓崃D(zhuǎn)換效率（熵效率）及反應(yīng)效率（參與反應(yīng)的燃料比率），所以其比沖性能次于碎片推進(jìn)；另一方面，其系統(tǒng)質(zhì)量主要來源于（磁）熱力噴管及其相關(guān)配套裝置，所需要的質(zhì)量較之于用于規(guī)范強(qiáng)動(dòng)量碎片的系統(tǒng)裝置質(zhì)量很少，所以可預(yù)期其推重比顯著高于碎片推進(jìn)。

產(chǎn)物未利用類只能利用產(chǎn)物動(dòng)能耗散而成的熱能，并且只能以緩慢消耗大塊燃料內(nèi)的質(zhì)量的方式進(jìn)行利用。這其中有兩個(gè)子類：熱力推進(jìn)及電力推進(jìn)。熱力推進(jìn)通過熱力噴管直接將熱能轉(zhuǎn)換成定向噴射動(dòng)能，因此其比沖直接取決于推進(jìn)劑能夠達(dá)到的最高工作溫度—對(duì)于固堆核熱推進(jìn)受限于燃料及其載體的熔點(diǎn)，因此其提升空間有限，對(duì)于氣堆核熱推進(jìn)可以更高些，但仍然受限于燃燒室（反應(yīng)堆）壁能夠承受的熱載及壓載，所以仍然有個(gè)上限；電力推進(jìn)因?yàn)橹苯佑秒姶帕︱?qū)動(dòng)帶電粒子，所以可以獲得很高比沖，理論上可以接近相對(duì)論極限。從推重比方面考慮，熱力推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量主要來源于：燃料、燃料載體、反應(yīng)容器（統(tǒng)稱反應(yīng)堆）、熱力噴管、推進(jìn)劑存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)，而電力推進(jìn)系統(tǒng)不僅包含上述諸項(xiàng)（熱力噴管除外），還需要有一整套熱能到電能轉(zhuǎn)換裝置（電源）、電能到定向噴射動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置（電推力器）及相應(yīng)的電力匹配設(shè)備。

對(duì)于熱力推進(jìn)，通過加大核能釋放速率并改善換熱條件，可以用相同質(zhì)量的燃料加熱更多推進(jìn)劑，獲得更大的推力；系統(tǒng)其它部分的質(zhì)量增量代價(jià)主要來源于隨工作壓力增高而增厚的容器壁，其量是很小的，所以其推重比具有巨大的提升空間。對(duì)于電力推進(jìn)，加大核能釋放率、提高推進(jìn)劑流量意味著更大的電源、更大的電推力器及更大的電力匹配設(shè)備，這些質(zhì)量代價(jià)與推力增量之比很大，尤其對(duì)于工作溫度很低的固體反應(yīng)堆電源；并且，該代價(jià)比質(zhì)量隨著比沖的增加而增加（因?yàn)樾枰蟮尿?qū)動(dòng)電壓，因而更大質(zhì)量的電力匹配設(shè)備）。這些因素決定了核電推進(jìn)的推重比很小，比核熱推進(jìn)低數(shù)個(gè)量級(jí)，并且所要求的比沖越高，推重比越小。

可以看到，核熱推進(jìn)比沖受限，但推重比大，推力大；核電推進(jìn)比沖可以很高，但推重比很小，推力很小。為既能實(shí)現(xiàn)高比沖以滿足大速度增量空間任務(wù)需求，又能在各種空間任務(wù)環(huán)境、任務(wù)階段（如脫離天體重力場階段、無重力巡航/加速階段）上都能獲得最佳的綜合性能，核熱-核電聯(lián)合推進(jìn)是必然選項(xiàng)。以相同的系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)，聯(lián)合推進(jìn)可以在大推力、低比沖和小推力、高比沖之間切換，適應(yīng)不同的空間任務(wù)階段需求。聯(lián)合推進(jìn)的兩個(gè)工作模式可以用不同的推力器實(shí)現(xiàn)，但更佳的選擇則是用相同的推力器完成兩種工作模式。后者可以實(shí)現(xiàn)更高的綜合性能，體現(xiàn)在：1）總體質(zhì)量更低，因?yàn)橹恍枰惶淄七M(jìn)系統(tǒng)；2）可實(shí)現(xiàn)多于兩個(gè)的工作模式/工作狀態(tài)，甚至可以實(shí)現(xiàn)不同工作模式/工作狀態(tài)之間的連續(xù)過渡；3）是實(shí)現(xiàn)一體化核能空間動(dòng)力系統(tǒng)的前提，一體化設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且質(zhì)量特性極佳。這里的關(guān)鍵在于一種既能作為熱力推進(jìn)，也能作為電力推進(jìn)的推進(jìn)器。綜合考察各種電推力器，可以發(fā)現(xiàn)，與熱力推力器輪廓結(jié)構(gòu)最為接近的就是磁等離子體動(dòng)力學(xué)推力器 （MPD）。通過一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以MPD為藍(lán)本開發(fā)出核熱-核電統(tǒng)一推力器并不存在原則困難；不僅如此，MPD所涉及的物理原理與磁流體動(dòng)力學(xué)發(fā)電（MHD）原理基本相同，都基于磁流體/等離子體的電磁效應(yīng)，這就為核電源-核推進(jìn)一體化聯(lián)合空間動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。該統(tǒng)一推力器的工況調(diào)節(jié)有兩個(gè)自由度：推進(jìn)劑流量及核反應(yīng)堆熱功率 （單位質(zhì)量核燃料能量釋放率），但二者需要滿足一定匹配關(guān)系，流量確定情況下核反應(yīng)堆熱功率的調(diào)節(jié)范圍有限，因此實(shí)際上只需一個(gè)調(diào)節(jié)自由度--推進(jìn)劑流量，便可實(shí)現(xiàn)大推力小比沖工況到小推力大比沖工況之間的連續(xù)過渡。

以上核熱-核電聯(lián)合推進(jìn)針對(duì)的是產(chǎn)物未利用核推進(jìn)類，若進(jìn)一步考慮產(chǎn)物利用類，其發(fā)展趨勢目前尚看不清楚，但其中的一些基本規(guī)律和基本法則仍然有章可循。目前看，以下2個(gè)總體法則總是要遵循的：1）比沖和推重比是一個(gè)矛盾統(tǒng)一體，比沖越高，能夠達(dá)到的推重比越低，反之亦然；2）能夠駕馭的單位質(zhì)量核燃料的核能釋放率越高，比沖和推重比能夠達(dá)到的水平越高，也就是二者在更高的水平上達(dá)成矛盾統(tǒng)一體。遵循此2項(xiàng)總體法則的原因是顯然的：比沖越高，消耗于推進(jìn)劑加速及動(dòng)量約束上的質(zhì)量代價(jià)越大，因而推重比越低；能夠駕馭的單位質(zhì)量核燃料的能量釋放率越大，一方面，確定質(zhì)量流率的推進(jìn)劑能夠獲取的能量越高，因而比沖越大，另一方面，能夠讓更多的推進(jìn)劑流量獲取相同的能量，因而推重比可以越大。固體反應(yīng)堆到氣體反應(yīng)堆，再到脈沖核爆，質(zhì)量核能釋放率逐代提高直至接近于瞬時(shí)完全釋放，而基于磁約束的氣態(tài)/等離子體態(tài)反應(yīng)堆則有望成為一種可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量核能釋放率連續(xù)過渡的方案。

在此，似乎仍然需要一種變工況推進(jìn)系統(tǒng)，尤其是基于相同推進(jìn)器的變工況推進(jìn)系統(tǒng)，以滿足更為寬廣的行星際乃至恒星際空間任務(wù)的需求。該變工況推進(jìn)系統(tǒng)仍然以調(diào)節(jié)比沖/推重比為目標(biāo)，不過其調(diào)節(jié)自由度可能會(huì)多些：除了推進(jìn)劑流量外，單位質(zhì)量核能釋放率的可調(diào)節(jié)范圍可能會(huì)擴(kuò)大，甚至還有可能將核反應(yīng)產(chǎn)物 （碎片）推進(jìn)劑占總推進(jìn)劑的比例納入可調(diào)節(jié)范圍。通過將氣堆核熱推進(jìn)和磁約束微塵等離子體型碎片推進(jìn)進(jìn)行某種方式的有機(jī)結(jié)合，有可能成為此類高性能大范圍變工況熱/電/碎片多機(jī)制統(tǒng)一推力器的一種實(shí)現(xiàn)途徑。

總之，為盡可能充分利用核能極高質(zhì)量密度的潛力，一方面需要對(duì)更大核能釋放率的掌控能力，另一方面，還需要找到讓這些強(qiáng)大能源有序釋放的可靠途徑。前者決定能達(dá)到的推力規(guī)模，后者決定能達(dá)到的最大比沖。為駕馭如此強(qiáng)大能源，需要以增加系統(tǒng)質(zhì)量為代價(jià)，且該代價(jià)隨比沖升高而升高。為適應(yīng)寬廣的空間任務(wù)需求，變工況一體化核能空間動(dòng)力系統(tǒng)是未來必然發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)能以相同的質(zhì)量代價(jià)，實(shí)現(xiàn)大推力/低比沖工況到小推力/大比沖工況間的分檔過渡以致連續(xù)過渡。

4 小結(jié)

核能的高質(zhì)量密度特性讓其成為下一代空間動(dòng)力系統(tǒng)能量來源的必然選擇?；诠腆w反應(yīng)堆的空間核電源、核電推進(jìn)、核熱推進(jìn)是目前經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可行、技術(shù)狀態(tài)比較成熟的空間核動(dòng)力裝置，其大規(guī)模的空間應(yīng)用是可以預(yù)期的。更先進(jìn)的一些概念方案也正在進(jìn)行原理和方案論證中，包括：氣堆核電源/核熱推進(jìn)、脈沖核爆推進(jìn)、核裂變碎片推進(jìn)等。它們的性能逐代跨越直至逼近理論極限。

單位質(zhì)量核燃料的核能釋放率及核裂變碎片動(dòng)能的直接利用比率是決定空間核動(dòng)力裝置綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)。前者決定了能夠達(dá)到的核能使用規(guī)模而后者決定核動(dòng)力裝置的熱力學(xué)效率。為提高核能釋放率，必須采用氣體核反應(yīng)堆或者以脈沖核爆方式工作；要提高碎片動(dòng)能利用率，必須有強(qiáng)大的核碎片動(dòng)能規(guī)范約束機(jī)制，由此需要以相當(dāng)大的系統(tǒng)質(zhì)量增加為代價(jià)。為適應(yīng)寬廣的空間任務(wù)需求，變工況一體化核能空間動(dòng)力系統(tǒng)是未來必然發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)以相同的質(zhì)量代價(jià)，統(tǒng)一的推力器，利用多物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大推力/低比沖工況到小推力/大比沖工況間的大深度分檔過渡以致連續(xù)過渡。各種推進(jìn)機(jī)制之間的相容性以及性能參數(shù)的依次覆蓋性為此類一體化裝置的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

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（編輯：王建喜）

Survey and venation analysis on space nuclear power

LIAO Hongtu1，2
（1.Shanghai Institute of Space Propulsion，Shanghai 201112，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine，Shanghai 201112，China）

A preliminary discussion on developing venation of space nuclear power and direction of future development is given on the basis of a survey on state of arts.The space nuclear power source，nuclear electric propulsion and nuclear thermal propulsion based on solid core nuclear reactor，which are validated in experiments and are somewhat technical maturity，can be expected in space application in the near future.More advanced conceptual schemes include：nuclear power source and nuclear propulsion based on gas core nuclear reactor，nuclear pulse propulsion，fission fragment rocket，etc.，which represent a stairway of working performances up to theoretical limits.Two aspects must be considered when one wants to explore the potential of nuclear energy：raising the releasing rate of mass specific nuclear energy，and reducing the ratio that the kinetic energy of productions of nuclear reactions is converted into trackless thermal motion.The full use of the potential of nuclear energy inspace is unavoidable to take the increase of system mass as a cost.The integrative space nuclear power system，which is driven by various physics mechanisms and can vary performances tremendously to satisfybroad requirements ofspace missions，will come forth in the future inevitably.

space nuclear power source；nuclear propulsion；technical scheme；advanced concept

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0058-08

2015-10-28；

2016-03-18

廖宏圖（1968—），男，博士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)