美国国家科学院建议NASA加速太空核推进技术发展

导语

在美国国家航空航天局（NASA）的赞助下，美国国家科学院于2月12日发布《用于火星探索的太空核推进》的研究报告。报告称，若NASA希望在未来二十年内实现载人探索火星，那么就应该寻求“积极”研发太空核推进技术，这样可以极大减少前往火星的时间；不过在此之前，核热推进（NTP）和核电推进（NEP）都必须克服目前存在的重大障碍。

1. 火星探索任务需求

目前的火星探索计划是2033年进行无人火星任务，2039年执行载人火星探索任务。任务需求包括：前往火星217天、停留30天、返程403天，总耗时650天；航天员4人，2人在火星轨道，2人登陆火星。委员会主要评估了两种核推进系统：旨在产生至少900秒比冲的核热推进系统；至少具有1兆瓦电功率、质量功率比大大低于当前技术水平的核电推进系统；评估内容包括技术现状、潜在发展路径和主要风险等。喷气推进实验室行星科学主任、报告撰写委员会共同主席鲍比·布劳恩称，“太空核推进技术显示出巨大的潜力，可以促进人类对火星的探索；但NASA及其合作伙伴要在规定的时限内完成这项任务，就需要大幅加快技术成熟的步伐。”

2. 核热推进与核电推进

2.1 核热推进（NTP）

在这两种技术中，该报告对NTP更乐观。通过上世纪的Rover/NERVA等计划，NASA已经通过地面测试验证了NTP使用石墨基高浓缩铀燃料的可行性，部分反应堆还与NTP发动机硬件实现集成。但NASA并没有继续NTP研究，几乎仍停留在50年前的技术水平。目前NTP的发展面临着四大挑战，包括：推进剂在反应堆出口处加热到约2700K温度，并产生至少900秒的比冲；将液氢长时间存储在空间且损失最少；缺乏足够的地面测试设施；1分钟内使NTP达到工作温度。

NASA若采取更加积极的研发步骤，在2039年前是可以研发出可实用的NTP系统，用于载人火星探索任务。

2.2 核电推进（NEP）

自20世纪50年代末以来，美国已经开展了多项NEP计划，包括核辅助动力系统（SNAP）、SP-100太空动力反应堆、太空探索倡议以及“木星冰月轨道器”（JIMO）等，SNAP-10A核反应堆是美国发射的唯一一个反应堆，以0.5千瓦电的功率水平在轨运行43天；2003年，NASA曾启动JIMO计划，希望研发200千瓦电功率的NEP，但随后于2005年被中止。此外，NASA未在进行NEP技术的研发。

报告认为，与NTP相比，NEP技术更加不成熟，且无法单独使用，必须与化学推进协同工作，系统复杂性大大提高。若用于2039年的载人火星任务，NEP的功率应达到1兆瓦千瓦电，目前的技术差距过大；即使采用更加积极的步骤，2039年前NEP技术也无法用于火星探索任务，但NASA还应该继续加强NEP系统的技术开发，提高每个NEP子系统的运行功率，并开发与NEP系统兼容的化学推进系统。

3. 核电源与核推进优先权的选择

NASA一直在努力平衡核电源和核推进系统的发展。除了NTP和NEP以外，NASA还一直在研究用于月球表面的裂变反应堆电源系统如Kilopower计划，该系统将在月球或火星表面提供动力，输出功率为7至10千瓦。由于在“阿尔忒弥斯”计划中需要核反应堆电源，而不需要核推进系统，因此NASA一直试图推进Kilopower的相关工作。但国会并没有忽视NTP系统的发展，在《2021财年NASA拨款法》中，为11亿美元的太空技术资金中划出1.1亿美元用于NTP开发，其中8000万美元用于“设计可进行飞行演示的试验系统”，但NASA尚未宣布NTP系统的飞行演示计划。

在2021年1月27日举行的NASA顾问委员会技术委员会会议上，委员曾建议NASA将表面裂变电源的优先级高于NTP，因为更加适用于“阿尔忒弥斯”计划。NASA负责太空技术的副局长吉姆·鲁特表示完全同意国家科学院与国会的建议，表示由于资金的缘故，NASA正在积极进行NTP技术开发的招标，并将地面核电源的计划推迟到本财年晚些时候进行，“NASA和国防部对于NTP都有很高的兴趣，这是一项非常好的技术。”

发布日期：2021年2月26日

来源：国防科技要闻