核动力航天器发展历程
马世俊 杜 辉 周继时 朱安文
核动力航天器泛指一切使用核能的航天器。核能的产生包括衰变、裂变和聚变3种方式，核能的空间利用包括热源、电源和推进3种形式。迄今为止人类共发射了73颗核动力航天器，其中美国32颗，前苏联40颗、中国1颗；而其中同位素航天器有38颗，核反应堆（核裂变）航天器有35颗。
空间技术和核技术是20世纪最吸引眼球的两大技术，而核动力航天器则是这两大技术的完美结合。由于核动力航天器自身具有的战略意义，其发展一直都受到航天大国的密切关注。为此，我们对60多年来核动力航天器的发展历程进行了系统的梳理和分析。
一、初创时期
从核动力航天器萌芽至初步成熟时期，我们称为初创时期，时间跨度约从20世纪50年代初持续至80年代初。
核动力航天器发源于美国，并在美苏太空竞赛背景下获得了发展的原动力。在强烈的战略需求推动下，美国和前苏联政府都大力支持核动力航天器的发展，并推动其逐步走向成熟。初创时期只有美国和前苏联进行了核动力航天器的工程研制。美国的核动力航天器以同位素航天器为主，且应用领域分布较为广泛，包括导航、通信、气象和试验卫星以及深空探测器等；而前苏联则以核反应堆航天器为主，且绝大部分都应用于军事海洋监视。
1．美国
在发展初期，美国空间核电源可以与空间太阳能技术媲美。但是，随着太阳能技术的成熟且核安全逐渐引起人们的重视，美国的核动力航天器从近地轨道应用逐步转向深空探测应用。而核安全问题则最终将其发展推入停滞期。
二战后，美国军方一直在寻找可为侦察卫星提供足够能源的设备，兰德公司多次推荐使用空间核电装置。20世纪50年代初，美国空军（AF）和美国原子能委员会（AEC）都支持了空间核电源的研究。1955年，空军-原子能委员会（AFAEC）联合工作组成立，随后美国的空间核电源项目整合并更名为“空间核辅助电源”（SNAP）计划。1955年，美国启动核火箭研发计划，最初名称为“核发动机运载火箭应用”（ROVER），后来改为NERVA。核电推进研究也在开展，“用于核辅助电源轨道测试项目的空间系统简化研制计划”（SNAPSHOT）卫星搭载了用核反应堆供电的离子发动机。1957年前苏联发射第一颗人造卫星后，为了在太空竞赛中取胜，美国于1958年组建了美国航空航天局（NASA）。1960年，AEC-NASA联合项目办公室成立并接管几乎所有的空间核技术研究项目。
SNAP计划将美国的核动力航天器的发展推入快车道。SNAP计划同时支持同位素电源（RTG）和核反应堆电源。相比之下，RTG技术较为成熟，且可以满足部分空间应用需求。而且，由于当时蓄电池的一系列问题导致空间太阳能发电系统难以有效应用，所以美国较早地发展了同位素航天器。
1961年6月29日，世界上第一颗核动力航天器“子午仪”4A军用导航卫星发射并成功在轨运行。卫星使用RTG为晶振提供稳定的电源，电功率为2.6瓦。随后多颗“子午仪”卫星相继使用RTG。
1965年4月3日，由空军支持、用于验证空间核反应堆电源的SNAPSHOT卫星发射。SNAPSHOT是世界上第一颗也是美国唯一一颗在轨使用核反应堆的航天器。SNAPSHOT卫星的电源全部来自SNAP-10A。SNAP-10A设计寿命1年，功率500瓦。卫星还搭载了一台离子发动机，在轨运行约1小时。运行43天后，SNAP-10A由于卫星电气系统的高压故障序列错误执行而被停堆并随即终止运行。
1969～1972年间发射的阿波罗12～17号飞船上均使用了RTG，用于为月球表面试验包ALSEP提供约50瓦的功率。ALSEP在月面由航天员展开，航天员需在表面布置好ALSEP后将燃料棒插入发电机中。1977年9月30日统一关闭了所有的ALSEP。阿波罗11号则在其早期阿波罗科学试验包EASAP中使用了2个同位素热源（RHU），初期热功率约为15瓦。阿波罗计划使得美国同位素航天器技术逐步趋于成熟，并为人们普遍接受。
阿波罗任务成功后，美国在太空竞赛中取得胜利，其重点开始转向国内民族和经济问题，空间项目受到了很大的影响。SNAP计划和NERVA计划均在1973年被美国政府终止，NASA所提出的载人行星际探测任务被取消，太阳系大旅行计划也大大缩水。被保留下来的无人行星际探测任务广泛地使用了RTG。美国空军则于1976年在“林肯实验卫星”（LES）8/9通信卫星上最后一次使用了核能。
1978年1月，俄罗斯核动力卫星在加拿大坠毁后，卡特总统宣布美国不会在太空中飞行此类装置。1979年，三里岛核电站燃料泄漏事件爆发，美国民众对所有形式核能的风险都表示担忧。美国核动力航天器的发展从此进入较长时间的停滞期，在“星球大战”计划提出前，美国再也没有研制过核动力航天器。
图1 “子午仪”4A（左）和SNAPSHOT（中）卫星示意图，阿波罗12号航天员正在取出燃料棒（右）
2.前苏联
前苏联的空间核动力技术起步较美国晚，但是发展较为迅速。由于国内政治、经济相对稳定，这一时期前苏联核动力航天器的发展卓有成效，在核反应堆航天器方面积累了丰富的经验。
前苏联也较早地进行了RTG和热源的研制，且在轨均有应用。1965年9月，前苏联“猎户座”（Orion）1和2军事导航卫星首次使用RTG，其输出功率约为20瓦。同位素热源则在“月球车”1和2上用来为仪器舱加温，热源的热功率是900瓦。20世纪70年代中期，前苏联开展了用于支持火星探测的RTG系统VISIT的研制，输出电功率约为40瓦，但是VISIT一直没有上天。这一时期，前苏联解决了RTG和热源的关键技术，也启动了Pu238生产线。
前苏联的重点一直放在可提供大功率的核反应堆系统上。前苏联空间核反应堆电源从20世纪50年代初期开始研究。第一个空间核反应堆电源系统是Romashka，系统电功率为460～475瓦。20世纪60年代早期，前苏联并行启动了使用热电转换的BUK和使用热离子转换的TOPAZ反应堆电源系统项目。BUK系统输出电功率约为3千瓦，寿命小于1年。BUK系统性能指标较Romashka要好，TOPAZ则进展较慢。由于BUK系统的出现，Romashka没能在轨应用。1965年前后，前苏联还启动了TOPAZ II热离子核反应堆电源系统的研制。
1970～1988年，前苏联共发射了32颗使用BUK反应堆电源的“宇宙”系列卫星，这些卫星都属于军事海洋监视系列卫星“雷达型海洋监视卫星”(RORSAT)，典型的轨道是倾角65度、高度280千米的圆轨道。在轨展开后，卫星长约10米，重量约3800～4300千克，其中反应堆和助推段重量约为1250千克。这些卫星都是返回式卫星，在轨寿命从3小时至135天不等。1978年1月24日坠毁在加拿大的“宇宙”954卫星曾引起较大的政治风波。此事件之后，BUK反应堆助推系统进行了设计改进以避免反应堆再入大气。
初创时期，前苏联的核推进研究主要集中在核热推进上，并先后研制了IGR、IVG-1和IRGIT等专门用于核热推进研究的反应堆系统。
图2 RORSAT组成图
二、“星球大战”时期
从里根总统提出“星球大战”计划，到前苏联解体，俄罗斯持续了约10年的不稳定时期，我们统称为“星球大战”时期，时间跨度约从20世纪80年代初持续至20世纪末。
这一时期，美国的核动力航天器发展迈向了新的台阶，而前苏联则日渐萎缩。美国的主要精力集中在100千瓦以上核动力航天器的研发上，面向军事和深空探测应用，取得了较好的研究成果；前苏联的研究也面向中大功率核动力航天器，但是由于政治和经济环境的影响，新项目并没有取得成效。欧洲在这一时期也开始进行核动力航天器的相关国际合作和研发。
1. 美国
“星球大战”计划和“太空探索倡议”（SEI）是这一时期美国核动力航天器发展的主要推动力。1983年3月，里根总统提出了“星球大战”计划成为核时代向太空时代转变的指导战略。作为具有战略作战意义的计划，该计划一直由美国军方主导。1989年7月，老布什总统提出了“太空探索倡议”，倡议发展轨道空间站、永久返回月球和载人登火星等任务。1991年12月，前苏联完全解体，美国成为世界唯一的超级大国。在这种形势下，无论是“星球大战”计划，还是“太空探索倡议”都失去了发展的战略意义，美国政府对核动力航天器的兴趣日益减弱。
“星球大战”的定向能武器需要核反应堆电源来提供能源，核武投送能力以及空间武器的轨道机动则可通过核推进来提供动力。以SP-100项目为代表的核电源和以“空间核热推进”（SNTP）为代表的核热推进项目得到美国政府的大力资助。SP-100由NASA、国防部和战略防御倡议办公室（SDIO）联合支持，于1983年启动。SP-100项目首先发展100千瓦级的核电源。1990年，美国国防部退出了SP-100项目，1993年SP-100项目停止。1987年军方将前期的核火箭计划更名为“空间核热推进”，并重新启动。SNTP项目面向军民部门提出的高速拦截器、运载火箭上面级、轨道转移/机动运载器等需求，但首先应满足美国空军提出的火箭上面级推进任务需求。在完成原理样机研制后，SNTP于1994年终止。
“太空探索倡议”提出后，在核电源方面，NASA积极参与SP-100并同时支持RTG。在核推进方面，1989年NASA与美国国防部、能源部合作开展了核电推进和核热推进项目的研究。1991年，NASA成立了核推进项目办公室，并启动了自己的核推进项目。最初，NASA的研究重点放在了核热推进上。后期，核电推进受到了NASA的重视。
20世纪80年代美国研制了通用热源RTG（GPHS-RTG）。从探测木星的“伽利略”卫星开始，美国的核动力航天器转而使用GPHSRTG，淘汰了前期多种类型的SNAP-RTG。每个GPHS-RTG可以提供约300瓦的功率。1990年发射的“尤利塞斯”(Ulysses)深空探测器使用了GPHS-RTG。前苏联解体后，美国还发射了“卡西尼-惠更斯”土星探测器（使用GPHSRTG）和“火星探路者”火星着陆器（使用3个RHU）。
在美国空间武器关键技术尚未突破的情况下前苏联解体了。所以，直到1993年项目终止，美国军方一直没有发射基于SP-100的航天器。但有文献报道，军方开展了基于SP-100的未来监视任务研究。NASA开展了基于SP-100的深空探测任务概念研究，但均没有上型号。NASA所提出的概念的代表是土星环会合任务。这些任务都基于SP-100项目组提出的参考构形来开展，见图3。这种由辐射器和支撑杆组成的伞状构形成为这一时期大功率核动力航天器的标志。
SNTP项目所面向的高速拦截器、运载火箭上面级、轨道转移/机动运载器等鲜有报道。NASA所提出的载人火星探测设计参考任务DRM是基于核热推进技术设计的。DRM利用核热推进来实现地球与火星间的星际转移，并利用核反应堆电源来为飞船和火星基地提供电源。
前苏联解体后，美国和俄罗斯开展了核反应堆电源研制项目的合作，由俄罗斯为美国提供技术和培训。1992～1993年，美国SDIO还开展了基于TOPAZ II的核电推进空间测试项目NEPSTP的研究。NEPSTP的主要目的是在美国境内发射一颗使用俄罗斯TOPAZ II的电推进卫星。这些项目都没有形成实质性的成果。
图3 SP-100项目组给出的卫星参考构形
图4 DRM星际转移飞行器示意图
2.前苏联/俄罗斯
这一时期是前苏联核动力航天器发展从巅峰逐步走向衰退的时期。1991年底前苏联解体后，俄罗斯处于长时间的政治和经济动荡时期。在这样的背景下，核动力航天器的发展显然不受重视。作为那个时代最为先进的空间核反应堆电源系统，TOPAZ仅在轨使用了两次就被束之高阁。前苏联解体后，TOPAZ II甚至被卖给曾经的对手——美国用来深入解剖、测试、教学和培训。到了20世纪末，虽然俄罗斯也试图恢复核动力航天器的研发，但是受到脆弱的经济影响，所有项目都停留在地面，未能上天。
在这一时期，为了应对美国的“星球大战”计划，前苏联也开展了多个空间核反应堆项目的研究。TOPAZ和TOPAZ II反应堆电源系统得到了进一步发展。TOPAZ初期功率为6千瓦，效率5.5%，得到了在轨应用。1971年进行了第一次电测后，TOPAZ II系统不断改进，但最终还是于1989年被政府停止。TOPAZ II反应堆最大电功率5.5千瓦。前苏联于20世纪80年代中期启动了下一代空间核反应堆电源系统的研制，这些项目包括NPS-25、NPS-50和NPS-100。前苏联还开展了核反应堆电源/推进一体化系统NPPS的研发。在这些项目完成之前，前苏联就解体了。
这一时期，前苏联核动力航天器发展标志性的事件是，1987年使用TOPAZ的“等离子体”A试验卫星发射并成功在轨运行。“宇宙”1818和“宇宙”1867卫星重约3800千克，采用约800千米高度的圆轨道，两颗卫星各在轨运行了142天和342天。“等离子体”A是以RORSAT的名义发射的。
前苏联解体后，俄罗斯的核动力航天器项目主要采取国际合作的形式来开展。除与美国合作外，1992年，俄罗斯还为欧空局“月球欧洲演示器”(LEDA)的着陆器设计、生产并测试了一种寿命末期功率3.75瓦的RTG。20世纪90年代末期，俄罗斯为其主导的“火星”-96国际火星着陆探测器项目研制了RHU和RTG。可惜的是，这些项目都没有在轨应用。
图5 “等离子体”A试验卫星示意图
3.欧洲
这一时期，欧空局作为主要参研单位，与NASA合作开展了“尤利塞斯”和“卡西尼-惠更斯”探测器的研制，积累了核动力航天器的研发经验。法国独立开展了空间核动力项目研制。
1982年，法国开始了ERATO计划，采用快中子堆，利用布雷顿循环气体涡轮发电，预期功率50～300千瓦，寿命7～10年，拟用于同步轨道的电推进。20世纪90年代，法国还开展了MAPS核热推进系统的研究。
三、新世纪
进入21世纪，多极化格局日益显现，核动力航天器发展呈现出新的特点，我们称之为新世纪，时间跨度约从21世纪初持续至今。美国和俄罗斯都不约而同地将目标瞄准兆瓦级以上核动力航天器的研发，应用则主要面向载人星际飞行。
1. 美国
美国在新世纪提出了多个涉及空间核动力的计划或倡议，构成其核动力航天器发展的主要推动力。2002年2月，NASA发布了“核系统倡议”(NSI)，支持同位素和反应堆电源及推进系统的研发。2003年3月，NASA成立“木星冰月亮轨道器”（JIMO）项目办公室，同时整个核动力研究项目更名为“普罗米修斯”工程。2005年，“普罗米修斯”工程因为经费问题以及NASA发展优先级的变化而被终止。2004年1月，为了提振美国人对太空探索的热情，小布什总统发布了“太空探索愿景”，提出了重返月球和载人登火星等太空探索任务。2010年4月15日，奥巴马总统提出在21世纪30年代中期送人前往火星。2011年，NASA发布的《2013～2022年十年行星科学愿景与旅行》，重点研究新的火星巡视器、木卫二的探索和天王星及其卫星探测的任务。NASA一直在以载人火星探测为最终目标来循序渐进地开展火星任务。上述项目都需要发展核动力航天器。
作为“普罗米修斯”工程的组成部分，RTG研究取得了一些进展。“多任务同位素热电发电机”（MMRTG）是这一时期具有代表意义的系统，也是唯一得到在轨应用的系统。MMRTG设计寿命14年，寿命初期输出功率125瓦。“普罗米修斯”工程对基于同位素的空间核推进技术进行了支持。该技术主要计划用于小型和中型的太阳系外科学探测卫星。
基于核反应堆的大功率核电源和核电推进是这一时期的研究重点。在“普罗米修斯”工程和“太空探索愿景”的激励下，兆瓦级及以上的核反应堆电源概念不断被提出。其中一些新概念和创新性技术得到了NASA探索项目的支持；大功率的核推进概念不断涌现，同样得到了NASA的支持。
JIMO是“普罗米修斯”工程的核心，也是这一时期核动力航天器的典型代表。JIMO主要用于探测木卫二和木星其他的卫星，任务实施分为5个主要阶段，在项目终止前，刚完成前两个阶段任务，即将进入初样设计。JIMO总重约21吨，展开状态下长58.4米、宽15.7米，收拢状态下长19.7米、宽4.57米，设计寿命20年。卫星能源来自一个550千瓦的核反应堆和一个2千瓦的太阳电池阵，使用8个30千瓦、比冲7000秒的离子发动机。下图给出了JIMO在轨效果图。
图7 JIMO在轨效果图
“可变比冲磁等离子体火箭”（VASIMR）是核推进技术的代表。在NASA的资助下，Ad Astra公司完成了200千瓦电功率的VASIMR发动机VX-200的原理样机的研制、测试和试验。测试数据显示，发动机效率高达60%，是目前效率最高的电推进设备。NASA已经与Ad Astra公司签署协议，将在国际空间站上进行VASIMR发动机的试验飞行。Ad Astra火箭公司基于VASIMR和大功率核反应堆电源技术，提出了短期载人往返火星的概念，使用200兆瓦核反应堆在39天内载人到达火星；飞船使用5个VASIMR发动机，总重600吨，总旅程69天。
图6 Ad Astra 200兆瓦载人火星飞船示意图
进入新世纪后，美国发射了多颗用于深空探测的核动力航天器。“新地平线”（New Horizons）冥王星探测器使用GPHS-RTG供电，于2006年1月发射。勇气号和机遇号火星车采用同样的设计，每部车使用8个RHU，先后于2003年6月和7月发射。好奇号火星车电源完全由MMRTG供给，于2011年11月发射。
2.俄罗斯
2000年普京总统上台后，俄罗斯的政治形势日趋稳定，经济实力不断增强。2001年以来，俄罗斯重拾对太空的兴趣，加大了资金投入，重组了航天局，努力重现前苏联的航天实力。以月球基地和载人火星探测为代表的、需要空间核动力技术支持的远景计划一直存在于俄罗斯的各种航天规划中。2005年10月初齐奥尔科夫斯基宇航科学院与俄罗斯导弹航天领域的重要工业组织及科研院所共同拟定的《2005～2035年俄罗斯航天活动构想及优先发展方向》、2005年底俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团制定并提交的《2006～2030年俄罗斯载人航天规划构想》和2013年4月普京总统批准的《2030年前及未来俄联邦航天活动领域国家政策原则的基本规章》，都将空间核动力以及需要其支持的深空探测任务列为优先发展方向。
俄罗斯在2000年以后主要开展了大功率核推进以及相关的核裂变反应堆电源的研究。大功率核推进系统和核裂变反应堆电源系统都用于支持以载人火星探测为代表的行星际飞行。21世纪初，俄罗斯在RD-0410的基础上重新开展核电源推进系统NPPS的设计。该系统计划使用布雷顿循环，燃料则计划使用氙和氦，系统电功率50千瓦，推力68千牛。2010年6月，俄罗斯凯尔迪什研究中心按照总统的指示，牵头启动了使用NPPS的星际拖船项目的研究，拟用于将载荷从地球轨道拖至火星轨道。俄罗斯2010年还启动了一个核离子推进系统研制计划，系统设计寿命3年，电功率100～150千瓦，计划于2017年完成系统的总装测试。除此之外，俄罗斯还开展了核热推进项目的研究。
新世纪，俄罗斯开展了核动力载人火星飞船的研究。飞船使用2个7.5兆瓦热功率的核反应堆，产生约2.25兆瓦的电功率；使用10～20个（含备份）离子推力器，单个推力约为7～9牛，总推力约为140～170牛，推进系统效率为60%，比冲1600秒。飞船搭载6名宇航员，任务时间约为2年，火星表面停留时间约为15天。该飞船采用了液滴辐射散热器。
图8 俄罗斯载人火星飞船构形图
3.欧洲
在世界多极化格局日趋明显的新世纪，欧洲发出了发展自己的核动力航天器的呼声。
2001年， 欧空局启动了“ 曙光”（Aurora）计划。此计划包含了载人深空探测的内容，最终目的是将宇航员送上月球和火星。为了深空探测任务，欧空局已启动了RTG和RHU的研制工作。RTG使用斯特林转换，计划于2017年具备生产能力，功率优于100瓦，效率15%～30%，寿命长于20年；RHU功率5瓦，寿命长于20年。欧空局特别提出，RTG和RHU的所有原材料和燃料都应能在欧洲境内获得。
2002～2004年，法国开展了电推进系统OPUS的研究。近期，法国正在开展100千瓦空间核反应堆电源系统的研究。在诺贝尔奖获得者卡洛.鲁比亚的推动下，意大利航天局从上世纪末就开始支持核裂变推进系统的研究并持续至今。该推进系统使用镅-242作为燃料，有望实现星际间的快速飞行。
四、启 示
纵观核动力航天器60多年来的发展历程，我们可以得到如下启示：
1．核动力航天器是各航天大国的战略性选择。美国和前苏联（俄罗斯）作为两个超级大国，都大力发展了核动力航天器。随着空间核电源功率水平向兆瓦级迈进，核动力航天器的战略意义将越来越明显。无论是体现一个国家科技实力的深空探测，还是更具战略威慑的空间武器，都离不开核动力航天器。核动力航天器如同核动力航母和核动力潜艇一样，对一个国家具有重要的战略意义。作为崛起中的大国，我国有必要发展核动力航天器。
2．核动力航天器的发展由军事需求推动，并在深空探索领域得到了进一步发展。军事应用一直以来就是核动力航天器发展的最大推动力。在初创时期，无论是美国的“子午仪”和SNAPSHOT，还是前苏联的“猎户座”和RORSAT，都是军事用途。在军方的支持下，核动力航天器技术成熟度提高后，其应用领域开始向深空探索扩展。在“星球大战”时期，为了支撑空间武器，美国和前苏联军方推动了诸如SP-100、SNTP和NPPS等重大项目的立项，这些项目也刺激了民用项目发展。进入新世纪，核动力航天器的军事用途略有弱化，但是核动力航天器本身蕴藏的巨大军事应用潜力不容忽视。
3．发展初期，核动力航天器的发展都得到了国家长期持续的支持。美国支持SNAP计划长达十几年，才最终孕育出“子午仪”、“阿波罗”和 “旅行者”等核动力航天器。前苏联从20世纪50年代一直到80年代末，都在持续大量地投入核动力航天器及其关键技术的研发，保证了RORSAT的持续发展，也诞生了诸如TOPAZ和TOPAZ II等世界领先的核反应堆电源和世界独有的核电源/推进一体化系统NPPS。欧空局目前正在开展的RTG和RHU研制项目，从2009年持续至2017，长达9年。
4．核动力航天器的需求出现两极分化，要平衡发展，不能有所偏废。一方面，太阳系及外太阳系小型探索任务需要百瓦级、长寿命的小功率的核电源和核推进；另一方面，空间武器、载人火星探测等任务需要兆瓦级及以上的大功率核电源和核推进。为了保证不同任务的需求，基于空间核反应堆的大功率空间核技术和基于同位素的小功率空间核技术均应予以支持，统筹发展，不能有所偏废。
5．重视核安全。前苏联造成的空间核事故提醒我们，在发展核动力航天器时必须要注意核安全。为此，我们有必要提前启动空间核安全技术的研究。
《中国航天》2014年第4~5期 |
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发表于 2014-7-15 17:47
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