楊青格 吳洪洋 曹文麗 王歡 馬燕紅 李瑩

（1北京航天動(dòng)力研究所 2中國(guó)兵工學(xué)會(huì)）

1 前言

核動(dòng)力火箭可以有效縮短人類探索火星的旅程，從而降低探火任務(wù)的復(fù)雜性和機(jī)組人員的風(fēng)險(xiǎn)。就效率而言，核動(dòng)力火箭是傳統(tǒng)化學(xué)火箭的2倍以上，同時(shí)推進(jìn)劑消耗量更少，可以攜帶更多的設(shè)備載荷，完成多種科學(xué)目標(biāo)。

近年來，世界各國(guó)正在積極研發(fā)核動(dòng)力火箭。其中，美國(guó)于2021年正式啟動(dòng)敏捷地月運(yùn)行示范火箭（DRACO）項(xiàng)目，發(fā)起單位為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）。2023年初，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）也加入了該項(xiàng)目。2023年7月，DARPA和NASA正式確定洛馬公司（LM）為實(shí)驗(yàn)性核熱火箭（NTR）飛行器（X-NTRV）的制造商。按計(jì)劃，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目將于2027年（前）在軌道上發(fā)射第一枚試驗(yàn)飛行器，飛行時(shí)間大約為2個(gè)月。

本文立足于美國(guó)敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目概況，深入分析其核熱試驗(yàn)飛行器的反應(yīng)堆技術(shù)和核熱發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，從而揭示了敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目對(duì)于美國(guó)航天領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)意義和影響。

2 敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目簡(jiǎn)介

敏捷地月運(yùn)行示范火箭是美國(guó)最新的核熱火箭項(xiàng)目，由NASA負(fù)責(zé)核熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，DARPA負(fù)責(zé)監(jiān)督項(xiàng)目的其他部分，洛馬公司將負(fù)責(zé)核熱火箭或飛船的設(shè)計(jì)、集成和測(cè)試工作，并與BWX技術(shù)公司（BWX Technologies）合作開發(fā)實(shí)驗(yàn)性核熱火箭飛行器核的反應(yīng)堆，提供高純度低濃縮鈾推進(jìn)劑（HALEU）。

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目共分為三個(gè)實(shí)施階段。2021年4月，DARPA宣布敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目第一階段的任務(wù)周期為18個(gè)月，共涉及兩個(gè)軌道：軌道A用于核熱火箭反應(yīng)堆的基線設(shè)計(jì)，軌道B則開發(fā)了一個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)概念，用以滿足運(yùn)行任務(wù)目標(biāo)，同時(shí)還開發(fā)了一個(gè)可以追溯到運(yùn)行系統(tǒng)但側(cè)重于演示推進(jìn)子系統(tǒng)的演示系統(tǒng)。通用原子公司（GA）負(fù)責(zé)軌道A，合同價(jià)值為2200萬(wàn)美元；藍(lán)源公司（Blue Origin）負(fù)責(zé)軌道B，合同價(jià)值為250萬(wàn)美元。

到了第二階段和第三階段，NASA和DARPA將進(jìn)行飛行器演示試驗(yàn)，計(jì)劃時(shí)間為2027年（前）。其中，第二階段將對(duì)無核燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷流試驗(yàn)，任務(wù)周期為24個(gè)月，旨在完成演示系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)，并建立更多的實(shí)驗(yàn)性核熱火箭驗(yàn)證系統(tǒng)。第三階段將完成演示系統(tǒng)的全部試驗(yàn)，任務(wù)周期為15個(gè)月，包括完成核反應(yīng)堆與發(fā)射系統(tǒng)的組裝，對(duì)實(shí)驗(yàn)性核熱火箭進(jìn)行全功率的在軌飛行測(cè)試。當(dāng)進(jìn)行飛行測(cè)試時(shí)，核試驗(yàn)飛行器將搭載獵鷹-9（Falcon-9）或“火神”（Vulcan）火箭入軌，其外觀與傳統(tǒng)火箭的上面級(jí)基本相同，主要組件為一個(gè)大型氫貯箱、一個(gè)核反應(yīng)堆、一個(gè)航天器的桁架結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)噴管。

3 實(shí)驗(yàn)性核熱火箭的核反應(yīng)堆技術(shù)

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目借鑒了美國(guó)之前的核熱技術(shù)項(xiàng)目“火箭飛行器應(yīng)用核發(fā)動(dòng)機(jī)”（NERVA），該項(xiàng)目的技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)將有助于確保敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目設(shè)計(jì)的安全性，以及在最短的時(shí)間內(nèi)早日實(shí)現(xiàn)計(jì)劃目標(biāo)。相比于曾經(jīng)使用的高濃縮鈾，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目改用了HALEU燃料。

為了避免核反應(yīng)堆在地球大氣層或低軌道爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，航天飛行器X-NTRV在2027年發(fā)射時(shí)將由美國(guó)天軍（USSF）使用傳統(tǒng)火箭發(fā)射。作為一項(xiàng)額外的安全措施，發(fā)動(dòng)機(jī)的裂變反應(yīng)堆在整個(gè)發(fā)射過程中將處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在到達(dá)指定軌道后才會(huì)開啟。此時(shí)，基于裂變的反應(yīng)堆將使用HALEU燃料，將低溫氫轉(zhuǎn)化為高溫加壓氣體。盡管最終軌道尚未確定，但很可能處在地球表面上方700～2000km，盡量減少核泄漏對(duì)太空環(huán)境的影響。同時(shí)，在發(fā)射過程中，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將配備“毒線”（Poison Wire），這是一種吸收了中子的金屬，其作用就像地球上核反應(yīng)堆中的控制棒一樣，控制棒完全插入反應(yīng)中心時(shí)能夠吸收大量中子，以阻止裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。

NASA表示，當(dāng)敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目順利完成可行性驗(yàn)證后，將會(huì)開展火星探索任務(wù)。按計(jì)劃，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)30年代末或40年代初將航天員送到火星，而核動(dòng)力火箭是載人火星任務(wù)路線圖上的重要一環(huán)。核動(dòng)力火箭將降低任務(wù)的復(fù)雜性和機(jī)組人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，從而使前往火星的旅程更快。這類火箭的能效是傳統(tǒng)化學(xué)火箭的2倍以上，需要的推進(jìn)劑更少，并且可以攜帶更多設(shè)備來實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，并且可為儀器和通信系統(tǒng)提供更多能量。

4 實(shí)驗(yàn)性核熱火箭的推進(jìn)技術(shù)

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)性核熱火箭推進(jìn)技術(shù)，沿用了NASA在20世紀(jì)60年代所設(shè)計(jì)的核熱發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了一些調(diào)整。以下為新舊兩款核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

月球核反應(yīng)堆概念圖

在開發(fā)微重力環(huán)境下運(yùn)行的核反應(yīng)堆時(shí)，除了核發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)測(cè)試外，還需要很多其他的新技術(shù)，尤其是在管理飛行器的液氫推進(jìn)劑方面，也將付出巨大的努力。液氫只能成功在太空中儲(chǔ)存數(shù)天，因?yàn)樗?253.15℃的超低溫下會(huì)沸騰。該試驗(yàn)飛行器將嘗試在超低溫狀態(tài)下把液氫儲(chǔ)存幾個(gè)月，以便有足夠的時(shí)間對(duì)核熱發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多次測(cè)試。當(dāng)推進(jìn)劑耗盡后，盡管地面上的任務(wù)控制人員仍將保持與飛行器的通信，但發(fā)動(dòng)機(jī)將無法繼續(xù)工作。如果能用機(jī)器人為飛船補(bǔ)充燃料，任務(wù)時(shí)間還可以延長(zhǎng)。除了難以儲(chǔ)存的缺點(diǎn)，就質(zhì)量而言，液氫具有很大的優(yōu)勢(shì)，其密度低于傳統(tǒng)的火箭燃料。

現(xiàn)階段美國(guó)核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目計(jì)劃可知，當(dāng)進(jìn)行核熱火箭演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，將使用2000kg液氫和100kg鈾。到達(dá)安全軌道后，反應(yīng)堆便會(huì)立即開啟。核熱發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)的膨脹循環(huán)情況下，需要在1s內(nèi)將-253.15℃的液氫加熱到2426.85℃，然后將加熱后的液氫從噴管噴出，從而產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的太空推進(jìn)技術(shù)相比，核熱火箭的推重比大約是電力推進(jìn)的10000倍，比沖（即推進(jìn)劑效率）為化學(xué)推進(jìn)劑的2～5倍。相比于太空測(cè)試，地面測(cè)試將會(huì)花費(fèi)更多成本，主要原因在于地面上難以捕獲發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的排放物，以及需要確保裂變產(chǎn)物不會(huì)釋放到大氣中。因此，在測(cè)試核熱發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)首選太空測(cè)試，其軌道高度范圍在700～2000km。

5 敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)意義和影響

現(xiàn)實(shí)意義

在敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目框架內(nèi)，美國(guó)火箭的推進(jìn)效率將會(huì)得到大幅度提升。其核熱發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以用于后續(xù)的太空任務(wù)，還能為其他領(lǐng)域提供強(qiáng)大的動(dòng)力保障。

（1）提高航天動(dòng)力的推進(jìn)效率

通過敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目，DARPA旨在實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)相當(dāng)?shù)母咄浦乇?，這些系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的火箭燃料方式，將能夠通過電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)。這種組合將賦予該項(xiàng)目航天器更高的靈活性，以實(shí)現(xiàn)美國(guó)國(guó)防部（DoD）對(duì)于快速機(jī)動(dòng)的核心要求。

該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)包括測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)械設(shè)備，了解反應(yīng)堆的性能，操縱發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，使其起動(dòng)、重啟和節(jié)流，然后使用收集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證地面模型的可行性。這些地面模型將為美國(guó)航天事業(yè)提供工程學(xué)基礎(chǔ)，了解核推進(jìn)火箭在火星旅行中發(fā)揮的作用。

（2）為美國(guó)拓展太空事業(yè)提供動(dòng)力

敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目還將為美國(guó)提供跨越式的推進(jìn)能力。核熱發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與化學(xué)推進(jìn)類似的大推力，但效率要高出2～3倍。這些功能更強(qiáng)大、效率更高的核熱推進(jìn)系統(tǒng)可以縮短與目的地之間的飛行時(shí)間。對(duì)未來而言，縮短飛行時(shí)間對(duì)人類火星任務(wù)至關(guān)重要，可以減少乘員暴露在輻射中的時(shí)間，是一項(xiàng)可用于向月球運(yùn)送人類和材料的主要技術(shù)。更重要的是，具有超高安全性、可重復(fù)使用的核動(dòng)力飛船將會(huì)在很大程度上改變?nèi)祟惖奶罩谩?/p>

（3）其他領(lǐng)域的動(dòng)力補(bǔ)充

除了推進(jìn)航天器之外，核能還能提供加熱和其他形式的動(dòng)力。隨著核熱推進(jìn)燃料和設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨完善，美國(guó)將會(huì)進(jìn)一步拓展太空業(yè)務(wù)，為本國(guó)以及全世界提供核產(chǎn)品及服務(wù)。例如：洛馬公司在核控制領(lǐng)域擁有專業(yè)的技術(shù)，其曾為很多行星任務(wù)制造了大量的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器，并在低溫氫存儲(chǔ)和傳輸方面也做了很多投資。就深空探索任務(wù)而言，這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用于核熱火箭項(xiàng)目，傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)也將受益于此。

影響

除了項(xiàng)目本身攜帶的太空實(shí)用意義，借助于敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目，美國(guó)還將獲得很多潛在的利益，這將對(duì)日后美國(guó)的發(fā)展產(chǎn)生非常重大的影響。

2020年12月，白宮發(fā)布了《航天政策6號(hào)令》（SPD-6），正式提出了國(guó)家太空核動(dòng)力與推進(jìn)戰(zhàn)略（SNPP）。NASA在一份概述該指令的聲明中表示，空間核動(dòng)力系統(tǒng)為航天器提供動(dòng)力，以執(zhí)行替代動(dòng)力源不足的任務(wù)，例如：在太暗的環(huán)境中無法使用太陽(yáng)能，或者距離太遠(yuǎn)無法攜帶足夠數(shù)量的化學(xué)燃料。NASA表示，核動(dòng)力系統(tǒng)將在未來的太空旅行中發(fā)揮關(guān)鍵作用，它將把人類帶到比以往更遠(yuǎn)的地方。

美國(guó)《航天政策6號(hào)令》加快了該機(jī)構(gòu)開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性核系統(tǒng)的進(jìn)程，包括能夠持續(xù)為其他項(xiàng)目提供核動(dòng)力技術(shù)，從而推動(dòng)未來人類火星任務(wù)的早日實(shí)現(xiàn)。美國(guó)正在利用機(jī)動(dòng)性來保持在陸、海、空領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。然而，由于推進(jìn)系統(tǒng)的限制，太空機(jī)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性。因此，為了保持太空技術(shù)優(yōu)勢(shì)，美國(guó)需要躍進(jìn)式推進(jìn)技術(shù)，敏捷地月運(yùn)行示范火箭項(xiàng)目將提供相關(guān)的技術(shù)支持。

6 小結(jié)

總之，憑借更快的速度、更高的靈活性和機(jī)動(dòng)性，核熱推進(jìn)系統(tǒng)在國(guó)家太空安全領(lǐng)域的應(yīng)用將變得復(fù)雜多樣。如果后續(xù)的飛行試驗(yàn)取得圓滿成功，這將為美國(guó)未來部署所有基于裂變的核空間技術(shù)鋪平道路，也將推動(dòng)人類在太空領(lǐng)域走得更快、更遠(yuǎn)。