作者簡介：伍賽特（1990-），男，工學(xué)碩士，工程師，經(jīng)濟(jì)師，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，知識產(chǎn)權(quán)師，中國宇航學(xué)會高級會員。研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)與動力裝置。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.007

摘? 要：以推進(jìn)技術(shù)對空間探測的重要性作為切入點(diǎn)，介紹核火箭發(fā)動機(jī)的總體分類，以及核熱火箭發(fā)動機(jī)及核電火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，并對其應(yīng)用前景及未來發(fā)展方向作重點(diǎn)展望。未來，更有望采用由核熱推進(jìn)及核電推進(jìn)組成的雙模式推進(jìn)系統(tǒng)；而核聚變推進(jìn)技術(shù)同樣也是一項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展方向，但考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平，該類推進(jìn)方式尚處于理論研究階段。而由核輻射引發(fā)的安全性問題，則是未來發(fā)展核火箭發(fā)動機(jī)時(shí)需要首先考慮的因素。

關(guān)鍵詞：火箭發(fā)動機(jī)；核火箭發(fā)動機(jī)；核熱推進(jìn)；核電推進(jìn)；核聚變；核動力；核輻射；空間推進(jìn)

中圖分類號：V439.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0028-06

Abstract： Taking the importance of propulsion technology to space exploration as a starting point， the overall classification of nuclear rocket engines and the technical characteristics of nuclear thermal rocket engines and nuclear power rocket engines are introduced. and its application prospect and future development direction are emphatically prospected. In the future， it is expected to adopt a dual-mode propulsion system composed of nuclear thermal propulsion and nuclear power propulsion， and nuclear fusion propulsion technology is also a key development direction， but considering the current technical level， this kind of propulsion is still in the stage of theoretical research， and the safety problem caused by nuclear radiation is the first factor to be considered in the development of nuclear rocket engine in the future.

Keywords： rocket engine; nuclear rocket engine; nuclear thermal propulsion; nuclear power propulsion; nuclear fusion; nuclear power; nuclear radiation; space propulsion

推進(jìn)技術(shù)一直是影響人類進(jìn)行空間探測的決定性因素之一。深空探測任務(wù)對發(fā)射能量的需求較大，單獨(dú)依靠提高運(yùn)載發(fā)射能力很難滿足所有的任務(wù)需求，探測器需具備較強(qiáng)的機(jī)動能力，往往需要提供數(shù)千米每秒以上的速度增量，由此對火箭發(fā)動機(jī)這類推進(jìn)裝置提出了較高的技術(shù)要求[1]。

比沖是推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域里的一個(gè)重要性能參數(shù)，該參數(shù)衡量了火箭工作時(shí)推進(jìn)劑的消耗情況，并通常被定義成單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力沖量。該參數(shù)以秒為單位，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)比沖很難超過500 s，難以滿足深空探測任務(wù)的需求，因此繼續(xù)發(fā)展比沖更高、壽命更長以及性能更優(yōu)越的新型先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)勢在必行。深空探測飛行對推進(jìn)系統(tǒng)提出的要求概括如下：能提供足夠的動力來源，確保探測器能夠按照預(yù)定方式前進(jìn)并到達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)；工作時(shí)間（壽命）足夠長；系統(tǒng)的可靠性較高；而從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，發(fā)射成本要盡量小，費(fèi)用盡量低。在該條件影響下，核火箭發(fā)動機(jī)逐漸走入了人們的視野[2]。

由于核火箭發(fā)動機(jī)具有更高的推力比沖，以其替代液體火箭發(fā)動機(jī)可以顯著降低發(fā)射質(zhì)量。與傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機(jī)一樣，核火箭發(fā)動機(jī)也要采用大量低溫組分（特別是液氫）。核火箭發(fā)動機(jī)的工質(zhì)氫置于規(guī)格化的燃料模塊中，其質(zhì)量特性和外形尺寸特性取決于發(fā)射條件。根據(jù)核能推進(jìn)方式的不同，可分為核熱推進(jìn)（采用核熱火箭發(fā)動機(jī)）與核電推進(jìn)（采用核電火箭發(fā)動機(jī)）2類。

1? 核熱推進(jìn)與核熱火箭發(fā)動機(jī)

1.1? 核熱火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)概述

核熱火箭發(fā)動機(jī)是利用核反應(yīng)或放射性衰變釋放出的能量加熱工作介質(zhì)（又稱“工質(zhì)”）產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動機(jī)[3-4]。其以核反應(yīng)堆取代傳統(tǒng)液體燃料火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室，將推進(jìn)劑（氫、氨或氮）加熱至極高溫度，經(jīng)排氣噴管高速排出，產(chǎn)生較大的推力，從而可將幾十噸重的載荷送入地球軌道。該類火箭發(fā)動機(jī)的工作機(jī)理與化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)相似，只是加熱的能源不同。在核反應(yīng)堆中，核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工質(zhì)。核火箭發(fā)動機(jī)使用的工質(zhì)一般都是低分子量物質(zhì)，如液氫、液氮和液氨等，輸送系統(tǒng)將工質(zhì)先送入噴管冷卻套冷卻推力室，然后進(jìn)入反應(yīng)堆加熱，最后通過噴管膨脹加速排出[5]。核熱火箭發(fā)動機(jī)的比沖高、壽命長，但技術(shù)復(fù)雜，適用于長期工作的航天器，也可用于運(yùn)載火箭的高能末級。雖然各國從20世紀(jì)60年代初就開始研制核熱火箭發(fā)動機(jī)，但至今仍未能大規(guī)模推廣。研制中存在的主要技術(shù)問題是輻射防護(hù)、排氣污染、反應(yīng)堆的控制和高效率換熱器的設(shè)計(jì)等[3-4]。

1.2? 核熱火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

在設(shè)計(jì)核熱火箭發(fā)動機(jī)方案時(shí)，要考慮到其各個(gè)運(yùn)行過程，包括啟動、穩(wěn)態(tài)工況和過渡工況、停機(jī)，以及核熱火箭發(fā)動機(jī)所特有的核反應(yīng)堆降溫過程。最后，還要考慮核熱火箭發(fā)動機(jī)在工作過程中發(fā)生意外情況的可能性，并提前設(shè)定必要的應(yīng)對措施。

在發(fā)動機(jī)工作過程中，工質(zhì)和其他材料的選擇及其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)將對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生重要影響。研發(fā)方案通常就是在一系列方案中進(jìn)行折中選擇，從而滿足不同（甚至是相互矛盾）的技術(shù)要求。

核熱火箭發(fā)動機(jī)的主要特點(diǎn)之一是其所能達(dá)到的最大比沖值并不取決于反應(yīng)的動力潛能（像液體火箭發(fā)動機(jī)或固體燃料發(fā)動機(jī)那樣），而幾乎只取決于發(fā)動機(jī)自身和所選結(jié)構(gòu)材料的物理化學(xué)性質(zhì)。

在一般情況下，核熱火箭發(fā)動機(jī)方案中包含下列主要的系統(tǒng)和設(shè)備：①核反應(yīng)堆；②燃燒室；③超聲速噴管；④工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)；⑤反應(yīng)堆和發(fā)動機(jī)的整體控制系統(tǒng)。下面對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.2.1? 核反應(yīng)堆

如上文所述，核反應(yīng)堆是核熱火箭發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件。反應(yīng)堆可以是熱中子型、中能中子型或快中子型，根據(jù)反應(yīng)堆內(nèi)易裂變物質(zhì)的布置方法，其可以為均勻堆（熱中子型和中能中子型）或者是非均勻堆。在均勻堆中，易裂變物質(zhì)（通常用富集鈾）均勻分布或按一定規(guī)則分布在堆芯內(nèi)。在非均勻堆內(nèi)，易裂變物質(zhì)則集中在一些燃料元件內(nèi)，裝配成燃料組件，再放置于固體或者液體中子慢化劑中。

同時(shí)，核熱火箭發(fā)動機(jī)的反應(yīng)堆又是一類物理裝置，需嚴(yán)格控制堆芯的形狀、尺寸大小、材料組成、易裂變物質(zhì)濃度和調(diào)節(jié)核反應(yīng)速率的中子吸收劑的類型和布置等因素之間的關(guān)系；反應(yīng)堆是一類熱交換設(shè)備，其中應(yīng)當(dāng)設(shè)置工質(zhì)的流動通道，同時(shí)需要有必要的傳熱面積，從而可將工質(zhì)加熱到設(shè)定的溫度；在耐熱和受力方面，核反應(yīng)堆是一類重要部件，其工作的可靠性對核熱火箭發(fā)動機(jī)的運(yùn)行安全起著決定性作用；反應(yīng)堆是一類電離輻射源，因而要采取專門措施來保護(hù)發(fā)動機(jī)其他結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備及工作人員免受輻射危害。

在均勻反應(yīng)堆中，工質(zhì)的流動通道分散布置于慢化劑所占的空間中。因而在該情況下，首先，慢化劑應(yīng)當(dāng)是固體形態(tài)，其次，慢化劑應(yīng)當(dāng)由耐熱材料（石墨、難熔金屬碳化物等）制成。在非均勻反應(yīng)堆中，慢化劑可以是固體，也可以是液體或混合體。

在選擇慢化劑的類型和材料時(shí)，應(yīng)考慮到發(fā)動機(jī)的多種方案因素。例如，用石墨作為慢化劑的反應(yīng)堆比用普通水做慢化劑的反應(yīng)堆要重，但考慮到冷卻系統(tǒng)各組件的質(zhì)量，采用石墨慢化劑的核熱火箭發(fā)動機(jī)質(zhì)量通常會更輕。

反應(yīng)堆作為一種物理裝置，其有效性在很大程度上取決于堆內(nèi)易裂變物質(zhì)的裝料量。選擇合理的反應(yīng)堆形狀和尺寸、堆芯和反射層的材料，選擇保證功率調(diào)節(jié)和應(yīng)急保護(hù)的移動式中子吸收體的類型和布置將最大限度地降低裝料量。

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的選擇有重要意義，所有使用的材料（控制元件內(nèi)用的材料除外）應(yīng)具有盡可能小的中子吸收截面。慢化劑材料內(nèi)應(yīng)當(dāng)含有盡可能多的輕原子（氫、氘、碳等），以保證在中子-原子相互作用過程中更有效地降低中子能量。同時(shí)，為了將工質(zhì)加熱到盡可能高的溫度，反應(yīng)堆內(nèi)應(yīng)使用耐熱材料，而且應(yīng)是對工質(zhì)具有化學(xué)惰性（或者幾乎是惰性）的材料。但是，這樣的材料通常有較高的中子吸收截面，大量使用這些材料會使反應(yīng)堆的中子物理特性變差。

當(dāng)采用快中子反應(yīng)堆時(shí)，結(jié)構(gòu)材料吸收中子的不利影響將明顯降低。這會使反應(yīng)堆內(nèi)易裂變材料裝量增加，但使反應(yīng)堆尺寸減小，從而無法提供必要的傳熱面積，在該情況下，核熱火箭發(fā)動機(jī)就難以采用快中子反應(yīng)堆。為了最大限度地利用反應(yīng)堆的全部空間，就必須在堆芯內(nèi)以非均勻的方式布置易裂變物質(zhì)濃度及冷卻通道等設(shè)備。

如上文所述，體現(xiàn)火箭發(fā)動機(jī)工作性能的主要因素是比沖，該指標(biāo)直接取決于工質(zhì)進(jìn)入火箭噴管前進(jìn)行加熱時(shí)所能達(dá)到的溫度。為了進(jìn)一步提升比沖，需要建立這樣一種反應(yīng)堆，將核裂變釋放的能量直接傳給工質(zhì)，而并不通過固體傳熱表面。用氣相反應(yīng)堆的核熱火箭發(fā)動機(jī)有望實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中堆內(nèi)易裂變物質(zhì)和工質(zhì)都處于氣體狀態(tài)。同時(shí)熱量不會通過固體材料從易裂變物質(zhì)區(qū)傳輸?shù)焦べ|(zhì)，而主要借助輻射傳熱。

為了提升比沖，可以采用如下2種方案：①采用雙組分的工質(zhì)，即燃料和氧化劑在反應(yīng)堆內(nèi)分開加熱，然后進(jìn)入燃燒室燃燒，在那里它們的溫度由于相互作用的化學(xué)能而進(jìn)一步升高；②采用燃料離心懸浮方案，同樣能夠提高溫度。

1.2.2? 燃燒室

采用雙組分工質(zhì)的核熱火箭發(fā)動機(jī)需要燃燒室。在燃燒室內(nèi)，氣態(tài)燃料會在氣態(tài)或液態(tài)氧化劑中燃燒；而與預(yù)先加熱燃料的方案相比，在反應(yīng)堆內(nèi)預(yù)先加熱氧化劑可使推力稍有增加。同時(shí)，需要確保2個(gè)氣態(tài)組分進(jìn)行相互作用，需要其在燃燒室長度較小的有限空間內(nèi)充分混合。此外，燃燒室的結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足與化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)一樣的傳統(tǒng)要求：即在較高的熱流條件下，能可靠地冷卻室壁；在低頻和高頻振動影響下，具有較高的工作穩(wěn)定性。

雙組分工質(zhì)核熱火箭發(fā)動機(jī)原則上可以實(shí)現(xiàn)雙工況工作：在火箭開始飛行的一段時(shí)間內(nèi)（這時(shí)為了保證輻射安全和核安全，可能要求不啟動反應(yīng)堆），只依靠不預(yù)熱的燃料和氧化劑相互作用的化學(xué)能來產(chǎn)生推力，而反應(yīng)堆在晚些時(shí)候再啟動。這一特點(diǎn)是核熱火箭發(fā)動機(jī)在運(yùn)行方面的重要優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3? 超聲速噴管

超聲速噴管可將高溫氣體的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榕艢馍淞鲃幽?，從而產(chǎn)生推力。最重要的問題（影響發(fā)動機(jī)熱平衡和流程的很多問題之一）是在較高的對流熱流密度及反應(yīng)堆的中子和γ輻射的影響下，噴管在臨界截面處必須要實(shí)現(xiàn)可靠的冷卻過程。噴管設(shè)計(jì)的其他問題（擴(kuò)張比的選擇、沿長度的構(gòu)型調(diào)節(jié)）可參照設(shè)計(jì)液體火箭發(fā)動機(jī)的相關(guān)方法[6]。

1.2.4? 工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)

工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)與液體火箭發(fā)動機(jī)的相應(yīng)系統(tǒng)在原則上區(qū)別不大。雖然在核熱火箭發(fā)動機(jī)中，供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量所占的比重明顯低于其在液體火箭發(fā)動機(jī)中所占的比重（因?yàn)楹藷峄鸺l(fā)動機(jī)質(zhì)量的主要部分在反應(yīng)堆）。然而，降低核熱火箭發(fā)動機(jī)單組分或雙組分工質(zhì)供應(yīng)設(shè)備的質(zhì)量仍有重要意義。當(dāng)然，這一參數(shù)直接取決于在設(shè)計(jì)時(shí)選定的工質(zhì)供應(yīng)壓力，并在一定程度上取決于所采用的渦輪泵機(jī)組及工質(zhì)的供氣方案和排氣方案。將渦輪泵的數(shù)量降到最少，對于減少供應(yīng)設(shè)備的質(zhì)量有重要意義。對配備固體熱交換表面的核熱火箭發(fā)動機(jī)而言，原則上可以只有一臺渦輪泵，不過為了優(yōu)化發(fā)動機(jī)方案可根據(jù)需要，相應(yīng)增加泵的數(shù)量。為縮短發(fā)動機(jī)的啟動時(shí)間，渦輪泵機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量起著重要作用，并且與選定的工質(zhì)供應(yīng)壓力和流量的水平有關(guān)。

1.2.5? 反應(yīng)堆和發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)

作為控制對象的核熱火箭發(fā)動機(jī)反應(yīng)堆有自己的特點(diǎn)，主要取決于下列因素：①在發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)中，必須單獨(dú)監(jiān)測和調(diào)節(jié)決定釋熱水平的核反應(yīng)速率（中子功率）；②必須采用可靠的應(yīng)急保護(hù)，在發(fā)動機(jī)工作過程中發(fā)生意外時(shí)能迅速停堆，并保證所有其他運(yùn)行階段堆處于安全狀態(tài)；③要求發(fā)動機(jī)在啟動時(shí)，反應(yīng)堆由次臨界狀態(tài)經(jīng)過（或者不經(jīng)過）中間功率水平而快速達(dá)到額定工況；④必須確保在停堆后很長一段時(shí)間內(nèi)將剩余釋熱排出（也就是要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆所謂的降溫），這就要更多地消耗飛行中所需的工質(zhì)或其他組分；⑤如果在技術(shù)任務(wù)上，要求在前一個(gè)工作循環(huán)以后的任一時(shí)間內(nèi)再次啟動發(fā)動機(jī)，為此必須要有較高的反應(yīng)性裕度，這樣就要增加反應(yīng)堆易裂變物質(zhì)的裝料量，相應(yīng)地要提高控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)的裕量。

核熱火箭發(fā)動機(jī)的啟動（為了確保大氣層內(nèi)的環(huán)境安全，通常該類發(fā)動機(jī)只能在地球大氣層以外啟動）是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，并應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成。因?yàn)榉磻?yīng)堆如果經(jīng)歷較長時(shí)間才達(dá)到額定工況，會使工質(zhì)的低效消耗大大增加。然而，在核熱火箭發(fā)動機(jī)反應(yīng)堆的所有工作階段，都必須對其物理過程和熱工過程進(jìn)行可靠控制，這就決定了啟動時(shí)間無法無限制地縮短。

對核熱火箭發(fā)動機(jī)反應(yīng)堆而言，該類啟動速度已相對較快，但對作為整個(gè)運(yùn)載火箭組成部分的發(fā)動機(jī)而言，這一時(shí)間依然較長。為了增加比沖，發(fā)動機(jī)采用閉式循環(huán)更為有利（將在反應(yīng)堆內(nèi)預(yù)先加熱的工質(zhì)作為驅(qū)動渦輪泵機(jī)組的能源）[7]，所以在核熱火箭發(fā)動機(jī)的啟動過程中，必須要給渦輪泵提供外部能源。

為了使發(fā)動機(jī)有盡可能高的比沖并使其比質(zhì)量降至最低，要求在核熱火箭發(fā)動機(jī)反應(yīng)堆中最大限度地采用熱強(qiáng)度高和熱穩(wěn)定性好的材料，這樣可使調(diào)節(jié)額定工況的可能性減至最低。

在核熱火箭發(fā)動機(jī)中采用帶液體慢化劑的反應(yīng)堆提供了另外的控制可行性。為了控制慢化劑的溫度，可以采用更簡便的方法使反應(yīng)堆功率保持在設(shè)定范圍內(nèi)，使得移動吸收中子的控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)時(shí)反應(yīng)堆內(nèi)釋能空間分布不會發(fā)生畸變。在成功利用慢化劑的情況下，這種控制方法將產(chǎn)生較好效果。但是，選擇慢化劑類型（固體或液體）的決定性因素不僅與功率控制有關(guān)，還與反應(yīng)堆的其他特性有關(guān)。

核熱火箭發(fā)動機(jī)的停機(jī)也是一項(xiàng)復(fù)雜問題，主要在于熱工問題。由于在鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)中存在緩發(fā)中子和裂變產(chǎn)物衰變等現(xiàn)象，在裂變反應(yīng)終止后反應(yīng)堆內(nèi)仍會繼續(xù)釋熱。在停堆后最初幾秒鐘內(nèi)，釋熱水平與工作狀態(tài)時(shí)的水平為同一量級，然后迅速降低，但仍然保持著相當(dāng)高的水平，需要對反應(yīng)堆進(jìn)行長達(dá)若干小時(shí)的冷卻。反應(yīng)堆停堆后的降溫過程需要消耗大量工質(zhì)（取決于要完成的任務(wù)，有時(shí)甚至可與額定工況下的消耗相比擬）。雖然降溫時(shí)工質(zhì)的消耗被迫在較低的平均比沖下進(jìn)行，但是在火箭的發(fā)射特性中應(yīng)當(dāng)將該過程作為可利用的因素考慮在內(nèi)。

由于受中子和γ輻射影響，核熱火箭發(fā)動機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)材料具有較高的釋熱水平，該釋熱水平正比于反應(yīng)堆在穩(wěn)定工況下工作的功率，從而也正比于發(fā)動機(jī)的推力。從推力的某一水平開始（大約數(shù)萬牛頓或更高），分布于反應(yīng)堆表面附近的所有大零件（如固定發(fā)動機(jī)的部件）都應(yīng)當(dāng)強(qiáng)迫進(jìn)行冷卻。

核熱火箭發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)具有較高的放射性，這種放射性在停堆后幾天和幾個(gè)月仍會對生物體產(chǎn)生危害。這種情況對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方案提出了要求，為此需要預(yù)先考慮在啟動時(shí)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行遙控維護(hù)（或自動維護(hù)）的可能性。在使用完畢后，應(yīng)使得反應(yīng)堆和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中其他對生物體有害的部分在運(yùn)行完后能實(shí)現(xiàn)可靠銷毀。

1.3? 核熱火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢

綜合上文所述，核熱火箭發(fā)動機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢如下所述：

1）具有高推力、高比沖性能和更強(qiáng)的續(xù)航力；

2）工質(zhì)加熱時(shí)間更短，由此可延長發(fā)動機(jī)壽命；

3）減小了發(fā)動機(jī)以及整個(gè)核動力火箭的尺寸；

4）相比傳統(tǒng)化學(xué)火箭，其擁有更小的近地軌道初始質(zhì)量。

2? 核電推進(jìn)與核電火箭發(fā)動機(jī)

核電火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是將核反應(yīng)堆的裂變能首先轉(zhuǎn)換為電能，使推進(jìn)劑（例如汞或氨）電離加速，成為等離子態(tài)的推進(jìn)劑以高速排出噴管，然后產(chǎn)生推力的推進(jìn)系統(tǒng)。

就核電推進(jìn)而言，放射性同位素電源與電推進(jìn)系統(tǒng)也可以構(gòu)成核電推進(jìn)系統(tǒng)，但由于放射性同位素電源的功率太小，所構(gòu)成的核電推進(jìn)系統(tǒng)的推力也就更小，只能用于類似航天器姿態(tài)控制等推進(jìn)力較小的任務(wù)。

就現(xiàn)階段而言，空間核反應(yīng)堆電源（特別是俄羅斯的空間核反應(yīng)堆電源）和靜電等離子體電推進(jìn)都是成熟的技術(shù)。而目前，俄羅斯和美國都在研究發(fā)電、推進(jìn)兩用的空間核反應(yīng)堆動力系統(tǒng)[5]，推進(jìn)部分與核熱火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)相同，但加入了發(fā)電元件。這樣的空間核反應(yīng)堆動力系統(tǒng)，既有核熱火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的功能，又有空間核反應(yīng)堆電源的功能。

3? 核火箭發(fā)動機(jī)的應(yīng)用前景展望及未來重點(diǎn)發(fā)展方向

3.1? 核火箭發(fā)動機(jī)的應(yīng)用前景展望

為了開拓宇宙疆域，推進(jìn)技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。其在根本上決定了航行距離、航行速度，攜帶的有效載荷，以及運(yùn)輸成本。固體堆芯的核熱火箭代表著下一代高性能液體火箭的發(fā)展革新階段。核熱火箭的能量源于核裂變，而非傳統(tǒng)的化學(xué)燃燒。雖然化學(xué)火箭中的氧化劑/燃料混合燃燒時(shí)會釋放出相當(dāng)大的能量，但與核裂變釋放的能量相比，依然微不足道。舉例而言，2 g 235U核燃料所能提供的能量就相當(dāng)于13 t液氧液氫推進(jìn)劑。儲存著高能量的核燃料需要在一個(gè)安全、可靠并且質(zhì)量不大的推進(jìn)系統(tǒng)中以可控的方式進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生推力，而伴隨著核推進(jìn)系統(tǒng)的使用而帶來的輻射環(huán)境問題同樣需要重視。

目前，核裂變能已經(jīng)被成功地應(yīng)用到各類海軍艦艇的推進(jìn)系統(tǒng)之中，使得這些艦艇能夠長時(shí)間地航行在海面上或深海之中[8-11]。而在有著更長運(yùn)行距離的宇宙深空航行中，核推進(jìn)技術(shù)同樣有著廣闊的前景。例如，到月球或是到火星的長距離航行將會消耗大量的能量。這些能量需要高效的推進(jìn)系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)化成有效推力。

核熱火箭發(fā)動機(jī)具備未來宇宙高效航行所需要的3大要素——高比沖、高比功率、高推重比。核熱火箭發(fā)動機(jī)的比沖很高（>900 s），能顯著減少推進(jìn)劑用量。與化學(xué)推進(jìn)相比，核熱火箭發(fā)動機(jī)具有更強(qiáng)的動力性能[12-13]。除了能提供高效的高推力，還能滿足航天器上的所有電力需求，非常適用于星際航行，如載人火星探索等，但其實(shí)現(xiàn)仍需假以時(shí)日。

與核熱推進(jìn)相比，核電推進(jìn)的開發(fā)難度更大，要求同時(shí)進(jìn)行空間核反應(yīng)堆和電火箭的研究、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)?？捎玫暮朔磻?yīng)堆有熱離子反應(yīng)堆、脈沖反應(yīng)堆等。

總體而言，核電火箭發(fā)動機(jī)具有高比沖、小推力、長壽命、高精度和高可靠性的特點(diǎn)，適用于各種航天器的位置保持、姿態(tài)控制、軌道修正（輔助推進(jìn)）、星際航行、星際探測和軌道轉(zhuǎn)移（主推進(jìn)）等用途。利用核電推進(jìn)的方式，可將航天器從較低的地球軌道轉(zhuǎn)移到高軌道或地球同步軌道，比用運(yùn)載火箭直接發(fā)射，可將有效載荷的質(zhì)量提高幾倍至幾十倍。用于偵察衛(wèi)星和空間武器的變軌，在軍事上更具有重要意義。

從概念上來講，核熱推進(jìn)與核電推進(jìn)是獨(dú)立的和完整的。但在實(shí)際應(yīng)用中，不論核熱火箭發(fā)動機(jī)或核電火箭發(fā)動機(jī)，必然是（或基本上是）既具有供電功能又具有推進(jìn)功能的雙模式空間核動力系統(tǒng)。

雙模式（電源和推進(jìn)）空間核動力系統(tǒng)最具代表性的2種方案是以核火箭發(fā)動機(jī)和動態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)為基礎(chǔ)的雙模式空間核動力系統(tǒng)，以及以空間核反應(yīng)堆電源和電推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的雙模式空間核動力系統(tǒng)[14]。通常而言，對于要求快速進(jìn)入軌道的飛行任務(wù)（特別是載人的星際飛行），電源/核熱推進(jìn)的雙模式空間核動力系統(tǒng)更為合適；而對于無人的運(yùn)載任務(wù)，電源/核電推進(jìn)的雙模式空間核動力系統(tǒng)更為可取。

具有大推力、高比沖特點(diǎn)的核火箭發(fā)動機(jī)，是載人深空探測宇宙飛船不可替代的推進(jìn)系統(tǒng)。載人火星探測方面的初步研究結(jié)果表明，采用核火箭發(fā)動機(jī)可迅速通過地球的輻射帶，并且可以降低飛船的發(fā)射質(zhì)量。

3.2 核火箭發(fā)動機(jī)的未來重點(diǎn)發(fā)展方向

3.2.1 核運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)技術(shù)

核動力推進(jìn)不同于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)，其自身攜帶核反應(yīng)系統(tǒng)，涉及核安全的問題，首先需要研究核動力火箭的應(yīng)用模式，以及核動力推進(jìn)適用于航天運(yùn)輸任務(wù)中的哪一段。另外，核動力火箭從地面起飛到入軌過程中若發(fā)生事故，核反應(yīng)系統(tǒng)殘骸的隕落將可能帶來核輻射污染問題；火箭入軌后，核動力火箭末級在軌運(yùn)行，也將涉及國際空間核安全相關(guān)法律法規(guī)的問題。因此，安全性是核動力火箭首要研究的問題之一。

3.2.2 核火箭發(fā)動機(jī)

在核火箭發(fā)動機(jī)中，傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的燃燒室內(nèi)換成了高能量的核反應(yīng)系統(tǒng)，整個(gè)推力室的構(gòu)造發(fā)生了明顯變化，為此需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，開展與核反應(yīng)系統(tǒng)適應(yīng)性的變化設(shè)計(jì)以及滿足核反應(yīng)系統(tǒng)高熱量的冷卻要求等。

3.2.3 核反應(yīng)系統(tǒng)

由于核動力燃料元件的形狀比較復(fù)雜，而復(fù)雜的燃料元件和堆芯結(jié)構(gòu)首先給理論計(jì)算分析帶來了較大的挑戰(zhàn)。而核動力堆芯內(nèi)的溫度變化范圍比較大，進(jìn)一步加大了設(shè)計(jì)的困難；另外，核反應(yīng)系統(tǒng)小型化和模塊化設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

3.2.4 核輻射防護(hù)技術(shù)

在火箭發(fā)動機(jī)上用核裂變反應(yīng)堆替代燃燒室，對火箭的結(jié)構(gòu)材料、電子控制元件等提出了新的耐輻射要求，需進(jìn)行有效的防核輻射設(shè)計(jì)，這是常規(guī)化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)未曾面臨的新問題，主要輻射防護(hù)包括反應(yīng)堆核輻射防護(hù)技術(shù)、液體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)防輻射設(shè)計(jì)技術(shù)、火箭電子元件防裂變輻射技術(shù)。同時(shí)在載人飛行方案中，航天員的防輻射問題也需進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2.5 受控核聚變技術(shù)

實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)需要滿足4個(gè)條件：足夠高的溫度、足夠的等離子體密度、一定的持續(xù)時(shí)間和適當(dāng)?shù)拿荛]空間[15]。為保證核能量持續(xù)、平穩(wěn)的輸出，需要有效利用和控制核聚變的速度和規(guī)模。然而，維持核聚變反應(yīng)條件苛刻，要求產(chǎn)生熱核聚變的等離子體維持足夠高的溫度、密度、能量約束時(shí)間，并滿足勞森判據(jù)的要求。另外，航天器的運(yùn)載效率對反應(yīng)堆規(guī)模有嚴(yán)格的約束。因此，受控核聚變技術(shù)將是核推進(jìn)運(yùn)載器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和重要的發(fā)展方向[16]。

4 結(jié)論與展望

核熱火箭發(fā)動機(jī)通過提高液氫推進(jìn)劑的壓力，將其輸送到高能裂變反應(yīng)堆核心，使之加熱到高溫，最后通過噴管噴出，從而獲得推力，其代表了未來高性能火箭發(fā)動機(jī)的主要發(fā)展方向，并具有實(shí)現(xiàn)未來經(jīng)濟(jì)、常規(guī)空間旅行所需要的3個(gè)關(guān)鍵推進(jìn)系統(tǒng)屬性：①高比沖；②高比功率；③高推重比。而核電火箭發(fā)動機(jī)雖然具有高比沖、小推力、長壽命、高精度及高可靠性的特點(diǎn)，但由于其開發(fā)難度較大，目前仍處于持續(xù)開發(fā)過程中。未來，更有望采用由核熱推進(jìn)及核電推進(jìn)組成的雙模式推進(jìn)方式，而核聚變推進(jìn)也是一項(xiàng)重要發(fā)展方向，但受制于相關(guān)技術(shù)條件，仍處于理論研究階段?？紤]到核輻射所產(chǎn)生的危害，安全性問題將是發(fā)展核火箭發(fā)動機(jī)過程中需要考慮的重要因素。

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