徐友濤 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

核熱推進(jìn)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展綜述

Development Review of Nuclear Thermal Propulsion Launch Vehicle Technologies

徐友濤 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

文章首先簡要介紹了核熱火箭推進(jìn)系統(tǒng)的原理、組成和應(yīng)用價值；綜述了國際上核熱推進(jìn)火箭技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況；對我國在總體技術(shù)和核熱反應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)方面開展研究的現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行了介紹，并初步梳理了發(fā)展核熱推進(jìn)運(yùn)載火箭所需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 引言

核熱推進(jìn)是一種高效的推進(jìn)方式，采用具備極高能量密度的核熱反應(yīng)系統(tǒng)為能量源，根據(jù)反應(yīng)類型分為核裂變和核聚變兩種方式。

核裂變反應(yīng)推進(jìn)的基本原理是：采用工作介質(zhì)流過核熱反應(yīng)系統(tǒng)（反應(yīng)堆）吸收能量，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，然后通過噴管被加速到超音速，從而產(chǎn)生推進(jìn)動力。核裂變推進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)主要包括兩大部分：總體部分（貯箱、增壓輸送系統(tǒng)、渦輪泵及噴管）和核反應(yīng)堆部分。

與傳統(tǒng)的基于化學(xué)能的火箭推進(jìn)系統(tǒng)相比，核裂變推進(jìn)系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)是比沖高。核裂變推進(jìn)發(fā)動機(jī)比沖與工質(zhì)的加熱溫度與其分子量比值的平方根成正比，工質(zhì)分子量越低，發(fā)動統(tǒng)計比沖越高。當(dāng)采用氫作為推進(jìn)工質(zhì)時，理論上比沖能夠達(dá)到1000s。由于比沖高，完成相同的空間飛行任務(wù)，核裂變推進(jìn)系統(tǒng)所攜帶的推進(jìn)劑質(zhì)量僅為氫/氧火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑質(zhì)量的1/3，而所需的運(yùn)輸系統(tǒng)成本不到氫/氧火箭發(fā)動機(jī)的44%。與電推進(jìn)動力相比，核裂變推進(jìn)推力有數(shù)量級的增大，更適合作為各類航天運(yùn)載器的動力。

核聚變火箭原理的初步設(shè)想是采用等離子體噴射流技術(shù)，將等離子體流注入火箭噴嘴，聚變系統(tǒng)中會形成強(qiáng)大的磁場，在磁場中的等離子體周圍使用金屬環(huán)內(nèi)爆，等離子體在各層金屬環(huán)（鋰金屬）結(jié)構(gòu)控制的壓力室內(nèi)被壓縮，從而對等離子體施加強(qiáng)大的向心壓力，進(jìn)而引發(fā)核聚變。周圍的金屬環(huán)形成一個外殼激發(fā)核聚變的發(fā)生，點(diǎn)燃核聚變的過程僅幾微秒，將能量突然釋放出來。盡管只有這么短的壓縮時間，但發(fā)生的核聚變作用可以產(chǎn)生足夠能量，迅速加熱并導(dǎo)致鋰金屬外殼在磁場控制下的噴嘴區(qū)域蒸發(fā)、離子化。此時在超高溫下蒸發(fā)的金屬外殼便會被高速噴出火箭噴口，從而推動火箭前進(jìn)。

固體金屬鋰推進(jìn)劑不需要很大的貯箱，鋰被迅速加熱，并加速到非常高的噴出速度（>30km/s），因此比沖能達(dá)到2400～5700s，同時高溫電離的推進(jìn)劑與飛行器本身沒有物理接觸，避免了對火箭的破壞，并使熱載問題得到限制。

由于核熱推進(jìn)系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，將其作為航天運(yùn)載器（火箭，特別是火箭末級、軌道轉(zhuǎn)移級等）的動力系統(tǒng)，可以明顯提高運(yùn)載器的性能。核熱推進(jìn)系統(tǒng)的推力仍需要大幅提高，才能滿足火箭基礎(chǔ)級對發(fā)動機(jī)推力的要求，近期來看，更適合作為火箭末級、軌道轉(zhuǎn)移級的動力。以重型運(yùn)載火箭為例，如將氫氧末級改成以液氫為工質(zhì)的核裂變熱推進(jìn)末級，其運(yùn)載能力可實(shí)現(xiàn)翻番。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)具有比沖高、結(jié)構(gòu)相對簡單的特點(diǎn)，作為運(yùn)載火箭或空間軌道運(yùn)輸級的動力可以大幅提高運(yùn)載器的性能，滿足深空探索的需求向更遠(yuǎn)的深空拓展，是未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)及航天動力技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。從推動航天動力技術(shù)發(fā)展、支撐航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的角度考慮，有必要以總體需求為牽引積極開展核熱推進(jìn)及其應(yīng)用技術(shù)的研究。

2 國外發(fā)展及應(yīng)用情況

縱觀核熱推進(jìn)方面的研究，主要集中在美國和蘇聯(lián)，兩國幾乎同時在20世紀(jì)50年代中期啟動核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)研制發(fā)展計劃。數(shù)十年來，雖經(jīng)歷多次起伏，但仍然取得了巨大成就，為空間應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。近年來由于載人火星等計劃的實(shí)施，美國部分研究機(jī)構(gòu)提出研究核聚變火箭方案，并已開展部分原理性試驗(yàn)。

美國

(1) 核裂變推進(jìn)

1955年，美國啟動了“核火箭開發(fā)計劃”（ROVER），于1955－1960年在內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場的核火箭開發(fā)中心建立了大型的核火箭試驗(yàn)基地，成功開發(fā)了石墨蜂巢多孔棱柱型固相核火箭發(fā)動機(jī)，共進(jìn)行了14個不同系列反應(yīng)系統(tǒng)部件和發(fā)動機(jī)組件的熱試車，核裂變功率量級從500～5000MW（大致相當(dāng)于推力100～1000kN），為發(fā)動機(jī)整機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。

隨后，美國開展了載人月球探測工程，于是美國又啟動了用于空間推進(jìn)的“運(yùn)載火箭用核發(fā)動機(jī)”（NERVA）研制計劃。利用ROVER計劃的成果進(jìn)一步研制一套推力350kN、比沖不低于825s、持續(xù)工作時間超過1h的飛行樣機(jī)。在1962－1972年間，美國共進(jìn)行了6次發(fā)動機(jī)和整個推進(jìn)系統(tǒng)的熱試車，考核其各種工作性能。通過這些試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)及其系統(tǒng)的設(shè)計不斷得到完善，進(jìn)行了除飛行試驗(yàn)外的各種試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)可行性、結(jié)構(gòu)完整性、可靠性以及多次啟動能力，完全具備了開展樣機(jī)飛行試驗(yàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代，美國國防部和戰(zhàn)略防御計劃局設(shè)想使用核推進(jìn)作為攔截彈道導(dǎo)彈和空間軌道轉(zhuǎn)移動力，提出了“粒子床反應(yīng)堆芯”（PBR）概念，并通過一系列小型的試驗(yàn)證明了概念的可行性。而后，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種更緊湊、超輕的微型反應(yīng)堆發(fā)動機(jī)（MITEE），盡管20世紀(jì)80至90年代初期間沒有如ROVER計劃和NERVA計劃期間開展的大型地面試驗(yàn)，但發(fā)動機(jī)工作原理機(jī)制得到了更深入全面的把握，并在部組件技術(shù)上得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

1989年，時任美國總統(tǒng)喬治·布什發(fā)布了“太空探索倡議”（SEI）。在綜合各方面信息后，美國國家航空航天局（NASA）認(rèn)為核熱推進(jìn)是探索火星的比較理想的推進(jìn)動力選擇。1990年，美國國防部、能源部和NASA組織了一個工作小組，對各種核熱推進(jìn)方案進(jìn)行了評價，最后認(rèn)為NERVA計劃衍生反應(yīng)堆（NDR）、“金屬陶瓷燃料”（CERMET）快速反應(yīng)堆和獨(dú)聯(lián)體扭曲帶三元碳化物燃料三種方案最有發(fā)展前景。

NDR是以NERVA計劃中的技術(shù)為基礎(chǔ)加以改進(jìn)而得到的堆芯方案。CERMET的燃料不再采用UC2顆粒，而是改用熔點(diǎn)更高的二元碳化物（U,Zr）C的固溶體彌散于石墨基體中，提高了工質(zhì)的最高溫度。其元件形式和燃料在核火箭發(fā)動機(jī)研制計劃中分別進(jìn)行了驗(yàn)證，因此被認(rèn)為是研究費(fèi)用最少、最可能實(shí)現(xiàn)的堆芯方案。

CERMET設(shè)計思想來源于20世紀(jì)60年代通用電氣設(shè)計的一個快中子堆概念。該燃料與其他核推進(jìn)有很大的不同，它采用的是將裂變材料UO2均勻彌散到難熔金屬（鎢、錸、鉭等）基體中的形式。這種燃料對裂變產(chǎn)物有較強(qiáng)的包容能力，與高溫氫氣的相容性較好，有較長的壽命和多次啟動的潛力。CERMET的一個不利因素是燃料裝量大，并且由于金屬基體的密度較大，使得整個堆芯的質(zhì)量較大。

獨(dú)聯(lián)體方案是由美國和獨(dú)聯(lián)體的航空噴氣公司（Aerojet）、能源池公司（Energopool）和寶華韋健公司（B&W）組合聯(lián)合隊伍，以蘇聯(lián)的核熱推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)提出的。它采用以氫化鋯為慢化劑，三元碳化物（UC-NbC-ZrC）為燃料的非均勻堆設(shè)計。該方案的燃料組件采用的是軸向流道設(shè)計，在長度方向上由若干個燃料棒束組成。燃料的成分可沿燃料組件長度變化，以調(diào)整軸向功率分布。燃料組件的數(shù)目和長度由需要的推力和氫氣排氣溫度決定。

2003年，美國制訂的新太空政策中提出了利用核動力推進(jìn)航天器探索火星的“普羅米修斯”（Prometheus）計劃，大力加強(qiáng)核能推進(jìn)的研究。開展研制安全保障的核裂變發(fā)動機(jī)（SAFE）試驗(yàn)系列是美國正在進(jìn)行的一項(xiàng)中長期發(fā)展計劃。該計劃采用三階段發(fā)展戰(zhàn)略，其最終目標(biāo)是發(fā)展核推進(jìn)以使人類能夠快速經(jīng)濟(jì)地訪問太陽系內(nèi)的任何地點(diǎn)。

雖然核熱推進(jìn)計劃一直在提出，但美國近期沒有進(jìn)行過實(shí)質(zhì)性的核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)，僅是幾個實(shí)驗(yàn)室在從事燃料、材料等方面的研究。像NASA格倫研究中心目前集中于發(fā)展小型的核熱推進(jìn)系統(tǒng)（推力為60～100kN），測試一些耐高溫的碳化物、碳氮化物、金屬基體等形式的燃料。而馬歇爾研究中心則在使用電弧加熱的方式模擬核熱推進(jìn)系統(tǒng)堆芯的高溫氫氣環(huán)境，測試各種材料性能、可靠性、持久性等。

（2）核聚變推進(jìn)

聚變能量極高，聚變中氚是放射性元素，但其半衰期短（12年，鈾的同位素半衰期需數(shù)億年到數(shù)十億年不等），放射性污染也相對少，比起裂變碎片的放射性處理簡單很多。因此，核聚變能源的清潔等優(yōu)點(diǎn)吸引了科學(xué)家為之?dāng)?shù)十年不懈的努力，將核聚變能源作為動力發(fā)展星際旅行就變得極具誘惑力。核聚變理論的提出已經(jīng)有數(shù)十年，世界上有一部分科學(xué)家對這種核動力的火箭系統(tǒng)也非常看好。2009年，英國《新科學(xué)家》雜志就在文章中預(yù)測這種核聚變動力火箭系統(tǒng)數(shù)十年后有可能實(shí)現(xiàn)。

2011年以來，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家與空間推進(jìn)研究公司（MSNW）正在進(jìn)行一項(xiàng)新型核聚變火箭技術(shù)的研究，并稱有望將載人火星航行變成現(xiàn)實(shí)。依照目前人類現(xiàn)有的化學(xué)燃料技術(shù)，完成一次火星往返任務(wù)至少需要4年，如果核聚變動力真的成為現(xiàn)實(shí)，這趟行程30～90天就可以完成。

華盛頓大學(xué)提出的核聚變轉(zhuǎn)移飛船前往火星計劃已經(jīng)有了詳細(xì)的計算機(jī)建模和初步試驗(yàn)結(jié)果，并正在進(jìn)行第二輪研究計劃。所設(shè)計的核聚變火箭只需要質(zhì)量很低的核材料，一粒沙子大小的核材料所提供的能量約為3.8L的火箭燃料。已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了整個過程的測試?，F(xiàn)在正在進(jìn)行整體試驗(yàn)驗(yàn)證，并實(shí)際檢驗(yàn)核聚變的技術(shù)方案。研究組設(shè)計和生成一種特殊的等離子體，其被自身的磁場束縛。當(dāng)這些等離子體在磁場中受到強(qiáng)烈壓縮時便會發(fā)生核聚變。

華盛頓大學(xué)已經(jīng)完成了對金屬卷的匯聚、原理可行性分析和三維模擬，一個系統(tǒng)級模型以及初步推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計已完成，考慮了載人和不載人兩種任務(wù)。第二階段研究將重點(diǎn)放在獲得核聚變推進(jìn)火箭（FDR）技術(shù)發(fā)展的3個關(guān)鍵準(zhǔn)則：①核聚變推進(jìn)火箭的物理過程需要完全地弄清楚和得到驗(yàn)證；②全面給出核聚變推進(jìn)火箭在空間應(yīng)用的設(shè)計和技術(shù)發(fā)展；③完成基于核聚變的火箭總體設(shè)計和飛行器整體設(shè)計的深入分析以及任務(wù)架構(gòu)。一個縮比的、實(shí)驗(yàn)室的金屬襯壓縮測試設(shè)備將采用充分的動力能量（約為0.5MJ）來使其達(dá)到聚變狀態(tài)。金屬襯匯聚的研究將在金屬襯壓縮驗(yàn)證測試后。一個完整的核聚變推進(jìn)火箭和飛行器的設(shè)計包括：概念描述，所有分系統(tǒng)的方案、成本、技術(shù)成熟度（TRL）評估。任務(wù)設(shè)計架構(gòu)分析將檢驗(yàn)一個寬范圍的任務(wù)架構(gòu)以及這種核聚變推進(jìn)系統(tǒng)的研究目標(biāo)。

蘇聯(lián)/俄羅斯

蘇聯(lián)對于核熱火箭推進(jìn)的研制歷程比較平穩(wěn)，持續(xù)時間也較長。從1953年開始的近30年時間里，蘇聯(lián)的多家研究院、設(shè)計局、實(shí)驗(yàn)室均參與了研究、設(shè)計和試驗(yàn)；建立了大型核發(fā)動機(jī)試驗(yàn)基地，研制了多臺不同推力、不同結(jié)構(gòu)方案的核熱火箭發(fā)動機(jī)，并開展了大量的試驗(yàn)，取得了重大成果。

一些主要的核熱火箭發(fā)動機(jī)有：第456設(shè)計局研制的固相核火箭發(fā)動機(jī)RD-401、402、404、405，化學(xué)自動化設(shè)計局研制的RD-0410核火箭發(fā)動機(jī)，建造了RD-0410核熱推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)，在著名的“貝加爾”（Baikal）試驗(yàn)臺架上完成了全尺寸核熱推進(jìn)系統(tǒng)反應(yīng)堆的幾個試驗(yàn)系列，驗(yàn)證了建造核熱推進(jìn)系統(tǒng)和雙模態(tài)空間核動力系統(tǒng)的可行性。第456設(shè)計局還開展了基于氣相反應(yīng)堆的核火箭發(fā)動機(jī)RD-600的試驗(yàn)研究，比沖可達(dá)2000s，只是產(chǎn)生的理論和工藝問題太多，尚需繼續(xù)深入進(jìn)行。20世紀(jì)60年代初，第一設(shè)計局最早提出載人繞月考察方案，曾準(zhǔn)備采用核火箭發(fā)動機(jī)，包括單級彈道火箭RP-1和兩級混合型火箭RXP-II，提出的核火箭發(fā)動機(jī)推力為1400kN。這些大規(guī)模的研究、研制、試驗(yàn)工作一直持續(xù)到1980年前后。作為蘇聯(lián)繼承者的獨(dú)聯(lián)體繼續(xù)開展了一些核熱火箭的研究工作，建立了反應(yīng)堆采用非均質(zhì)設(shè)計、減速劑使用氫化鋯、燃料用三元碳化物的核熱火箭方案，其設(shè)計比同期美國的幾個方案無論在性能上還是在壽命上皆有優(yōu)勢。

小結(jié)

通過研究美國和俄羅斯幾個有代表性的核裂變熱推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)，可以看出，早期設(shè)計的核熱推進(jìn)系統(tǒng)雖然推力較大，但由于堆芯功率密度和燃料最高工作溫度較低，從而造成了發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較大，比沖較小，性能指標(biāo)不高，很難與航天器系統(tǒng)兼容匹配。因而，美國和俄羅斯相繼放棄了推力100kN以上的核熱推進(jìn)系統(tǒng)的研制計劃，轉(zhuǎn)而發(fā)展推力幾萬牛頓，功率密度更大、比沖更高、體積和質(zhì)量更小的核熱推進(jìn)系統(tǒng)。就具體堆芯設(shè)計而言，堆芯方案都從均勻化堆芯轉(zhuǎn)向了非均勻化堆芯設(shè)計，并且將堆芯的主要部件模塊化。

國外核熱裂變推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對比

國外的核裂變推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢可以總結(jié)為：①小型化，發(fā)展功率密度較高、體積和質(zhì)量更小的核熱推進(jìn)裝置，具有更高的推重比。②模塊化，將核熱推進(jìn)裝置的組成部分模塊化，可以對各模塊進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)，降低試驗(yàn)難度，節(jié)省研制費(fèi)用。③雙模式，在核熱推進(jìn)中附加一個發(fā)電模塊，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)、發(fā)電兩大功能，特別適用于載人航天任務(wù)。

核熱推進(jìn)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，因?yàn)槠渌婕暗睦碚摵图夹g(shù)問題相當(dāng)廣泛，需要的投入巨大，所以發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，還受到國際國內(nèi)環(huán)境、財政情況等的制約和影響。盡管如此，核熱推進(jìn)技術(shù)還是得到了巨大的發(fā)展，其中的固相核熱推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)具備了開展空間飛行驗(yàn)證試驗(yàn)和空間應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。國外針對核熱推進(jìn)技術(shù)一直在開展研究，取得了巨大發(fā)展。另外，美國近年來在聚變推進(jìn)原理和基礎(chǔ)技術(shù)上取得突破，并在不斷投入開展研究工作，并設(shè)想應(yīng)用于未來載人火星計劃中。作為航天大國，我國也應(yīng)該大力并持續(xù)發(fā)展核熱推進(jìn)技術(shù)。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

相關(guān)研究取得的進(jìn)展和所具備的技術(shù)基礎(chǔ)

我國在核熱火箭的研究方面還主要集中在核裂變推進(jìn)上。早在1949年，錢學(xué)森就提出了發(fā)展核火箭的設(shè)想。之后，我國在核火箭方面做了一些初步的研究，但截至目前，我國的核熱推進(jìn)裝置主要處于跟蹤研究的階段，且主要集中在核反應(yīng)堆技術(shù)研究方面，相關(guān)總體技術(shù)剛剛起步。

在核熱推進(jìn)涉及到的液氫推進(jìn)劑的應(yīng)用技術(shù)方面，無論是運(yùn)載火箭中液氫推進(jìn)劑貯箱和增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計、研制，還是液氫推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)的設(shè)計、研制，我國已具備了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國現(xiàn)役火箭型號中，長征－3A（CZ－3A）系列運(yùn)載火箭的三級使用了液氫/液氧推進(jìn)劑，在新一代運(yùn)載火箭中采用液氫推進(jìn)劑。因此，我國已掌握液氫推進(jìn)劑的應(yīng)用技術(shù)，并可作為進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，應(yīng)用于核熱推進(jìn)系統(tǒng)總體技術(shù)中。

我國有針對性地開展了核火箭方面的研究，主要包括核火箭工作原理和總體結(jié)構(gòu)研究，另外還有核火箭發(fā)動機(jī)的總體概念研究和反應(yīng)堆物理熱工分析，主要進(jìn)行了發(fā)動機(jī)堆芯的概念性設(shè)計。但相比國外的研究成果，我國的技術(shù)基礎(chǔ)尚淺，還需要開展大量的研究工作，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

未來將核熱推進(jìn)應(yīng)用于航天運(yùn)輸系統(tǒng)中，尚存在以下關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

（1）總體技術(shù)

1）基于核熱推進(jìn)航天運(yùn)載器方案和應(yīng)用模式研究；

2）基于核熱推進(jìn)航天運(yùn)載系統(tǒng)的總體技術(shù)；

3）低溫推進(jìn)劑長時間在軌貯存技術(shù)；

4）推力量級的確定。

（2）核熱發(fā)動機(jī)技術(shù)

1）熱核推力室技術(shù)；

2）推進(jìn)工質(zhì)輸送及管理技術(shù)；

3）試驗(yàn)技術(shù)。

（3）核反應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1）反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)；

2）核燃料制造技術(shù)和堆芯材料的研制；

3）核反應(yīng)系統(tǒng)自動控制技術(shù)。

4 結(jié)束語

相對化學(xué)推進(jìn)及電推進(jìn)，核熱推進(jìn)兼具有比沖高、推力大的優(yōu)勢，是有效提高航天動力系統(tǒng)性能的途徑之一。數(shù)十年來，國外一直在開展相關(guān)的技術(shù)研究，我國作為航天大國，也應(yīng)該以航天運(yùn)輸系統(tǒng)的需求為牽引，盡早投入力量開展相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。