何宇豪，孟 濤，盧瑞博，趙富龍，譚思超

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，大功率空間作業(yè)與軌道快速轉(zhuǎn)移等多種空間任務(wù)對能源的需求提出了更高的要求。在空間電源方面，目前主要有化學(xué)電池、太陽能電池陣-蓄電池組聯(lián)合電源和核電源3 種。其中，化學(xué)電池具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的優(yōu)點，但工作壽命短，低溫性能差，且功率較小。太陽能電池陣-蓄電池組聯(lián)合電源的技術(shù)成熟、性能可靠，同時兼具壽命長、供電能力強(qiáng)的特點，但太過依賴太陽光照，必須對日定向，因此，對發(fā)射窗口、軌道參數(shù)、飛行姿態(tài)等有嚴(yán)格的限制。同時太陽能電池陣的面積很大，對機(jī)動飛行和低軌道飛行帶來較大阻力，需要攜帶大量燃料用于軌道維持，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易遭受空間碎片、隕石和來自外部的打擊，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或失效。核能具有不依靠氧氣環(huán)境、不依賴太陽光照、能量密度高、可實現(xiàn)高溫和超高溫、使用壽期長等優(yōu)點，這些優(yōu)勢使得核能在空間探測領(lǐng)域、空間運(yùn)載領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。在空間應(yīng)用上，核電源無論是放射性同位素電源、空間核反應(yīng)堆電源，還是星表反應(yīng)堆電站，都具有各自的優(yōu)勢，在大功率、長續(xù)航需求的空間任務(wù)中，核能憑借特有的優(yōu)勢能夠替代傳統(tǒng)的化學(xué)能和太陽能。

空間核電源的研究自20 世紀(jì)50 年代開始一直發(fā)展到今天，期間產(chǎn)生的研究成果包括大量的實驗結(jié)果和數(shù)十個已經(jīng)用于空間探測的成熟核能系統(tǒng)，其中，有的核動力探測器已經(jīng)連續(xù)工作超過30 a，為核動力在空間的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。眾多研究結(jié)果證明了核能在空間領(lǐng)域的可行性和優(yōu)越性，但是要讓核能更好地應(yīng)用于航空領(lǐng)域，目前仍存在一些亟待解決的問題，主要有研制周期長、經(jīng)費投入多以及來自輻射防護(hù)等方面的問題[1]?？臻g核反應(yīng)堆電源是利用熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的裂變能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換的方式分為靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換和動態(tài)熱電轉(zhuǎn)換。下面針對靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換、動態(tài)能量轉(zhuǎn)換及核電推進(jìn)等不同型式的空間核反應(yīng)堆電源分別進(jìn)行論述。

1 靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換

靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)動部件較少，可靠性較高[2]。核能靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)經(jīng)過長時間的研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)較為成熟。美國和俄羅斯均有發(fā)射成功且至今仍在軌運(yùn)行的、使用核動力靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供能的衛(wèi)星。

美國對核電源的研究可追溯到20 世紀(jì)50 年代，1958 年美國空軍提出需要一款輸出電功率為數(shù)百瓦，可將熱量直接從外表面排出而不需要循環(huán)流體的核電源。針對上述需求，美在1960 年確認(rèn)開發(fā)使用強(qiáng)制對流冷卻、溫差發(fā)電直接轉(zhuǎn)換的空間核電源“SNAP-10”，并于1965 年發(fā)射升空，運(yùn)行12 h 后達(dá)到滿功率0.5 kWe，e 效率為1.6%。運(yùn)行43 d 后由于運(yùn)載火箭故障而被永久關(guān)停[1]，“SNAP-10A”反應(yīng)堆堆芯的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SNAP-10A 反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)圖［3］Fig.1 Structure of SNAP-A space reactor core［3］

在SNAP-10 研發(fā)的同一時期，為填補(bǔ)數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦之間的功率空擋[4]，美國開始開展堆內(nèi)熱離子反應(yīng)堆的研究工作，電功率范圍覆蓋5～120 kW[5]。1986 年，美國啟動熱離子燃料元件研究工作，旨在研發(fā)功率為0.5～1.0 kWe、壽命為7～10 a的熱離子燃料元件[1]，主要針對燃料、包殼腫脹、長時間輻照下絕緣體完整性、多節(jié)熱離子燃料元件(TFE)，以及其部件的性能與壽命問題進(jìn)行了研究。

1979 年，為了研究空基防御系統(tǒng)未來的能源供應(yīng)設(shè)備，美國又開展了先進(jìn)空間反應(yīng)堆項目（SPAR/SP-100）[5]。該項目一直持續(xù)到20 世紀(jì)90年代，設(shè)計了100 kWe 功率的通用電源，以熱管式固態(tài)堆芯反應(yīng)堆幾何溫差轉(zhuǎn)換為研究方案，設(shè)計壽命為7～10 a。后來由于項目變動，該項目轉(zhuǎn)向NASA的任務(wù)需求，功率調(diào)整為20 kWe 量級，其設(shè)計采用了反應(yīng)堆外部熱電轉(zhuǎn)換布置，可以靈活使用如斯特林、熱離子等不同的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，最終實現(xiàn)功率可變范圍從幾十千瓦到幾百千瓦。該反應(yīng)堆設(shè)計堆芯熱量可自主導(dǎo)出，無需機(jī)械部件，無單點失效風(fēng)險。

蘇聯(lián)/俄羅斯自20 世紀(jì)60 年代起開展了很多空間核動力方面的研究工作。1961 年，蘇聯(lián)政府決定開展ROMASHKA 溫差直接轉(zhuǎn)換空間反應(yīng)堆的研究，并于1964 年完成設(shè)計，進(jìn)行地面功率實驗，最終完成了約15 000 h 地面實驗，該設(shè)計的基本參數(shù)得到了驗證[1]。

1966 年，蘇聯(lián)物理與動力研究院（IPPE）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了BUK 空間核反應(yīng)堆的研發(fā)工作[1]。該反應(yīng)堆采用將外側(cè)反射層通過鋼帶連接的設(shè)計，當(dāng)反應(yīng)堆重返大氣層時，外側(cè)鋼帶會因氣動加熱而熔斷，反射層與反應(yīng)堆因此而分離，進(jìn)而使反應(yīng)堆無法達(dá)到臨界狀態(tài)，提高了反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全性。截至1988 年，蘇聯(lián)時期的BUK 反應(yīng)堆共完成了33 次航天發(fā)射，成為歷史上發(fā)射次數(shù)最多的空間核反應(yīng)堆。

熱離子技術(shù)一直是蘇聯(lián)研究的重點，1972 年，蘇聯(lián)在已有的熱離子技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，開始研制熱離子空間反應(yīng)堆，并命名為TOPAZ-I[1]。1987年，該反應(yīng)堆完成了首次發(fā)射，且成功以自動模式在軌運(yùn)行6 個月。同年7 月，蘇聯(lián)發(fā)射了第二代TOPAZ 反應(yīng)堆，成功運(yùn)行約1 a。

20 世紀(jì)末蘇聯(lián)解體后，其空間反應(yīng)堆方面的研究規(guī)模逐漸減小，期間蘇聯(lián)著手研制TOPAZ-II 空間反應(yīng)堆，但因技術(shù)及資金原因，第二代TOPAZ 熱離子核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)并未發(fā)射升空，僅開展了地面試驗研究，地面單機(jī)實驗成功運(yùn)行超過14 000 h。最終該技術(shù)出售給美國等其他國家。蘇聯(lián)時期共完成了4 個型號的空間反應(yīng)堆研制工作，其主要參數(shù)匯總見表1。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國也開展了TOPAZ 國際計劃，對購自俄羅斯的TOPAZ-II 反應(yīng)堆進(jìn)行測試，并以此為基礎(chǔ)開展新一代熱離子反應(yīng)堆的研發(fā)工作。最終美國于1992 年成功研發(fā)出功率為40 kW、壽命為10 a 的SPACE-R 熱離子空間反應(yīng)堆。

聯(lián)邦德國在20 世紀(jì)也開展了空間反應(yīng)堆研究計劃（ITR），該反應(yīng)堆方案采用鈉金屬冷卻，堆芯采用熱離子燃料元件，設(shè)計輸出電功率為20～200 kW。

除了熱離子與溫差能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，堿金屬能量轉(zhuǎn)換技術(shù)與磁流體發(fā)電技術(shù)也屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換相對于熱離子與溫差技術(shù)有較高的轉(zhuǎn)換效率，目前已通過實驗實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)換效率高到19%[6]。21 世紀(jì)初，美國墨西哥大學(xué)以美國太空探索計劃為背景設(shè)計了一款堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的空間反應(yīng)堆電源系統(tǒng)（SAIRS）[7]，該系統(tǒng)使用UN 作為燃料，鈉熱管導(dǎo)熱，設(shè)計電功率為111 kW。

磁流體發(fā)電技術(shù)具有大的功率密度，且啟動快、廢熱溫度高，目前與地面蒸汽發(fā)電配合能在很大程度上提高轉(zhuǎn)換效率。磁流體發(fā)電與空間核反應(yīng)堆結(jié)合的研究較少，且磁流體發(fā)電機(jī)由于使用了高溫高速的含銫蒸汽，導(dǎo)致管道、燃料元件的壽命大大降低[8]，適合用于短時大功率供電或者脈沖式電推進(jìn)使用。

2 動態(tài)能量轉(zhuǎn)換

空間核反應(yīng)堆電源中目前主要采用的動態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，包括斯特林循環(huán)和布雷頓循環(huán)。SP-100 反應(yīng)堆的設(shè)計使得它能與不同的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)合，于是在SP-100 計劃同時期進(jìn)行斯特林發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作，希望將其與SP-100 結(jié)合達(dá)到較低的質(zhì)量功率比，理論上當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度為1 050 K 時，600 kWe 電源的質(zhì)量功率比可低于23 kg/kW。該計劃于1985 年開始，最終研發(fā)了SPDE 和EM-2 兩款發(fā)動機(jī)，功率分別為25 kWe 和2 kWe，其中EM-2的壽期持久測試超過5 385 h。

在SNAP 計劃初期，美國空軍認(rèn)為未來任務(wù)對電源功率需求會更大，于是著手啟動更大功率系統(tǒng)的開發(fā)。北美航空公司下屬的國際原子公司（AI）成功研發(fā)出陶瓷包殼，在此基礎(chǔ)上很快設(shè)計并建造出了第一個空間反應(yīng)堆SNAP-2[5]。該反應(yīng)堆以NaK 作為冷卻劑，U-ZrH 為核燃料，采用水銀朗肯循環(huán)方式，電功率為3 kWe。SNAP-2 空間反應(yīng)堆的研究解決了U-ZrH 反應(yīng)堆臨界和U-ZrH 富集燃料制造等一系列技術(shù)問題。在此基礎(chǔ)上，美國很快開展了SNAP-8[9]反應(yīng)堆研究計劃，SNAP-8 反應(yīng)堆立足于滿足更大功率的空間能源需求，其設(shè)計功率為35 kWe，且能擴(kuò)大到60 kWe，設(shè)計壽命超過10 000 h。該項目建造了S8ER 和S8DR 兩個地面實驗堆，并于1963—1969 年期間進(jìn)行了多項地面實驗[9]，實驗證明反應(yīng)堆及能量轉(zhuǎn)換設(shè)備均能達(dá)到設(shè)計壽命要求，SER 的堆芯組裝圖如圖2 所示。SNAP 項目最終證實了空間核反應(yīng)堆電源的可行性，并解決了諸多技術(shù)難題，為空間核反應(yīng)堆技術(shù)的后續(xù)發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

表1 蘇聯(lián)時期空間反應(yīng)堆主要參數(shù)匯總［1］Tab.1 Summary of parameters for former Soviet Union space reactor designs［1］

圖2 SER 反應(yīng)堆組裝視圖Fig.2 SER reactor assembly view

除此之外，美國也一直致力于鉀金屬朗肯循環(huán)反應(yīng)堆技術(shù)的研究，SNAP-50/SPUR 項目及其后續(xù)的先進(jìn)液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆項目、中等功率反應(yīng)堆試驗計劃（MPRE）等都涉及相關(guān)研究[5]。SNAP-50/SPUR 項目旨在開發(fā)300～1 200 kWe 的大功率空間反應(yīng)堆電源[10]，該反應(yīng)堆堆芯使用鋰金屬冷卻，鉀金屬朗肯循環(huán)作能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電，設(shè)計壽命超過10 000 h，該項目驗證了高溫朗肯循環(huán)技術(shù)的可行性。中等功率反應(yīng)堆試驗計劃（MPRE）由美國橡樹嶺國家實驗室負(fù)責(zé)研究，設(shè)計為使用單回路鉀金屬朗肯循環(huán)。該項目早期遇到鉀金屬沸騰傳熱及材料相容性等問題，相關(guān)問題在1964 年都得到了較好的解決，并計劃開展地面試驗，該項目后因資金原因于1966 年終止[1]。

2000 年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）開展了熱管式火星探索反應(yīng)堆（HOMER）的研究[11]。該反應(yīng)堆使用鈉熱管導(dǎo)出堆芯熱量，燃料使用的是技術(shù)成熟的二氧化鈾，其功率可根據(jù)需求在1～250 kWe 之間進(jìn)行調(diào)整。在此項目基礎(chǔ)上又開展了安全經(jīng)濟(jì)的裂變發(fā)動機(jī)項目（SAFE）[12]。該項目使用與HOMER 反應(yīng)堆相同的燃料棒-熱管比[1]，但將熱電轉(zhuǎn)換裝置更換為布雷頓循環(huán)設(shè)備，其功率可在千瓦至數(shù)百千瓦之間變化。

2002 年，美國又開展了木星冰衛(wèi)星探測計劃（JIMO），之后該計劃更名為“普羅米修斯”[13-15]。該計劃旨在對木星的冰衛(wèi)星進(jìn)行科學(xué)探測，為此需研發(fā)200 kWe 功率的空間核動力飛行器，設(shè)計壽命需超過10 a。該計劃在提出的多個方案中，最終根據(jù)循環(huán)效率和可擴(kuò)展性等因素選擇了氣冷快堆方案[16]，其設(shè)計方案如圖3 所示。該方案冷卻劑選定為He-Xe 混合氣體，堆芯出口溫度定為1 150 K，能量轉(zhuǎn)換形式采用布雷頓循環(huán)，設(shè)計冗余度100%，系統(tǒng)總質(zhì)量約10 t。該項目初期預(yù)算為10 a 投入30 億美元，然而卻因空間任務(wù)優(yōu)先級的變化僅開展3 a 便被終止。該項目留有大量公開文獻(xiàn)資料，可為相關(guān)研究提供很好的參考。

圖3 木星冰衛(wèi)星探測計劃（JIMO）設(shè)計方案［14］Fig.3 Illustration of JIMO project design［14］

俄羅斯在20 世紀(jì)90 年代以后，著重開展與布雷頓循環(huán)動態(tài)熱電轉(zhuǎn)換的空間反應(yīng)堆電源設(shè)計，該項目歷時10 a，設(shè)計目標(biāo)在于同步軌道上供能及火星探索供能，包括核電推進(jìn)與星表核電站。項目期間提出了超過10 種概念設(shè)計方案，最高電功率達(dá)到了15 000 kW。2009 年，俄羅斯著手開展新型兆瓦級空間反應(yīng)堆計劃，該計劃將開發(fā)用于行星間載人或無人任務(wù)的空間核動力飛行器[1，17]，其反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)如圖4 所示，并計劃于2014 年開始開展地面實驗。該計劃成為蘇聯(lián)解體后，俄羅斯投資最大的、項目周期最長的空間反應(yīng)堆計劃，能為俄羅斯培養(yǎng)新一代空間核動力技術(shù)專家，對相關(guān)技術(shù)的傳承起到積極的作用。

圖4 空間反應(yīng)堆SGFR 全貌Fig.4 Overall view of the space SGFR

除了美、俄兩國，其他國家也相繼展開了空間核電源的研究，法國在1983 年發(fā)起了空間核動力電源研究計劃（ERATO）[17]，該計劃主要研究了液態(tài)金屬冷卻快中子堆、高溫氣冷堆和超高溫液態(tài)金屬冷卻堆3 種堆型，設(shè)計功率均為20～400 kWe[18]，能量轉(zhuǎn)換方式均采用布雷頓循環(huán)，設(shè)計壽命為7 a。意大利自1992 年起開始進(jìn)行先進(jìn)緊湊空間反應(yīng)堆（MAUS）概念設(shè)計，21 世紀(jì)初又將其升級為SPOCK 反應(yīng)堆，設(shè)計功率為30 kWe，堆芯使用鈉金屬冷卻，設(shè)計壽命為7 a。日本在20 世紀(jì)90 年代研究了月球表面反應(yīng)堆電源（RAPID）[19]，該反應(yīng)堆為一體化設(shè)計，堆芯使用鋰金屬冷卻，包含2 700 根燃料元件，出口溫度達(dá)1 373 K，采用朗肯循環(huán)能量轉(zhuǎn)換方式，設(shè)計功率為800 kWe，循環(huán)效率可達(dá)16%，換料周期為10 a。

空間核反應(yīng)堆電源除了用于航天器，近年隨著對月球及火星探索的不斷深入[20-21]，在星表核電站方面的研究也越來越多。2006 年，隨著普羅米修斯計劃的終止，美國航空航天管理局（NASA）和能源部（DOE）共同發(fā)起了星表裂變反應(yīng)堆電源計劃（FSP）[22-25]，其研究旨在為決策者展示更加可信的成果，從而推動該項目進(jìn)入飛行實驗階段。該項目重點之一便是降低研發(fā)成本，最終該方案選擇NaK 冷卻反應(yīng)堆方案及斯特林循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換方案，系統(tǒng)功率可在10～100 kWe 之間進(jìn)行變化，其系統(tǒng)設(shè)計方案如圖5 所示。該項目運(yùn)行期間開展了大量地面非核實驗，成功研制了多個關(guān)鍵部件設(shè)備。

圖5 星表裂變反應(yīng)堆電源計劃（FSP）設(shè)計方案［22］Fig.5 Illustration of FSP project design［22］

阿拉巴馬大學(xué)根據(jù)火星大氣二氧化碳含量豐富的特點，提出了超臨界二氧化碳空間堆方案[12]。該方案使用低富集度陶瓷燃料及布雷頓循環(huán)方式，設(shè)計功率為333 kWe，設(shè)計壽命為15 a。該反應(yīng)堆堆芯采用特殊靶式結(jié)構(gòu)，即燃料與增殖區(qū)交替排布。通過布置3 套該反應(yīng)堆系統(tǒng)即可達(dá)到1 MWe 功率輸出能力，從而滿足火星表面基地長期能源供給需求。

近年來，美國為填補(bǔ)放射性同位素電源與星表裂變反應(yīng)堆電源之間的能源空檔，還研發(fā)了千瓦級核電源（Kilopower）[1，26]。該計劃旨在為航天器或星表登陸器提供1～10 kWe 功率，并計劃于2017 年建立全尺寸的原型地面反應(yīng)堆樣機(jī)，其方案設(shè)計如圖6 所示。該反應(yīng)堆使用熱管導(dǎo)出堆芯熱量，并將熱量通過斯特林發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。目前，Kilopower反應(yīng)堆已完成地面臨界實驗，是近半個世紀(jì)以來美國在空間裂變反應(yīng)堆領(lǐng)域中，第二個成熟度最高的設(shè)計方案。

圖6 千瓦級核電源（Kilopower）設(shè)計方案［26］Fig.6 Illustration of Kilopower design［26］

美國新墨西哥大學(xué)[27-34]、阿拉巴馬大學(xué)[35]等還進(jìn)行過多個空間反應(yīng)堆概念設(shè)計，包括可擴(kuò)展堿金屬循環(huán)一體化反應(yīng)堆（Scalable AMTEC Integrated Reactor Space power，SAIRS）、熱管分區(qū)溫差轉(zhuǎn)換模塊化反應(yīng)堆（Heat Pipe-Segmented Thermoelectric Module Converters space reactor HP-STMCs）、淹沒安全反應(yīng)堆（Submersion-Subcritical，Safe Space Reactor，S^4）和鈉鉀合金冷卻分區(qū)緊湊反應(yīng)堆（NaK-78 cooled Sectored Compact Reactor，ScoRe）等。

3 核電推進(jìn)

核電推進(jìn)是空間核電源與電火箭技術(shù)的結(jié)合，一般與核反應(yīng)堆電源匹配的推進(jìn)系統(tǒng)有靜電離子電推進(jìn)、靜電霍爾電推進(jìn)、電磁類型電推進(jìn)3 種類型[37]。美國的SNAP-10A 在飛行期間曾為一個小型離子火箭推進(jìn)器供電，是世界上最早的空間核電推進(jìn)試驗堆。SP-100 與離子電火箭結(jié)合可以提供2 000 kg 的有效載荷用于火星軌道飛行器及火星衛(wèi)星、小行星帶探索和小行星樣品返回。2002 年美國開始“太空核能新計劃”，計劃包括以發(fā)展放射性同位素電源為目標(biāo)的核電源計劃和以裂變反應(yīng)堆為基礎(chǔ)的核電推進(jìn)計劃，核電推進(jìn)計劃之后逐漸發(fā)展到“普羅米修斯”計劃階段，“普羅米修斯”巡航階段使用8 臺30 kW 的離子電火箭推進(jìn)器，軌道轉(zhuǎn)移使用12 臺靜態(tài)等離子體推進(jìn)器，姿態(tài)控制使用6 臺靜態(tài)等離子體推進(jìn)器。表2 為美國大功率電推進(jìn)器的主要技術(shù)參數(shù)。

表2 美國的大功率電推進(jìn)器的主要技術(shù)參數(shù)［1］Tab.2 Summary of parameters for American high power electric propeller［1］

俄羅斯核電推進(jìn)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用繼承了蘇聯(lián)在空間核反應(yīng)堆電源上的成果和經(jīng)驗，其核電推進(jìn)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。蘇聯(lián)首創(chuàng)靜態(tài)等離子體發(fā)動機(jī)（霍爾發(fā)動機(jī)），并取得了很大的成功，近30 年的在軌飛行試驗中，有累計4 種型號310 個霍爾推進(jìn)器被用于近60 顆衛(wèi)星上，充分驗證了核電推進(jìn)的可行性。同時為了滿足如今對核電推進(jìn)的任務(wù)需求，俄羅斯已經(jīng)著手研究具有更高比沖和更大推力的電推進(jìn)器，目前在研的推進(jìn)器有望達(dá)到相同功率下3～4 倍于霍爾推進(jìn)器的壽命和更高的比沖、更大的推力。

此外，雙模式（電源/推進(jìn)）空間核動力系統(tǒng)兼具推進(jìn)與供電兩種功能，是兩者的高度有機(jī)結(jié)合。雙模式空間核動力系統(tǒng)在未來是主要發(fā)展的方向之一，針對雙模式空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)已經(jīng)有不少的概念設(shè)計，大致分為以核熱推進(jìn)/電源和核電推進(jìn)/電源為基礎(chǔ)的兩類雙模式空間核動力系統(tǒng)?？臻g核反應(yīng)堆電源與核熱推進(jìn)相結(jié)合的設(shè)計適用于需要快速進(jìn)入軌道飛行尤其是載人的設(shè)備。對于無人運(yùn)載任務(wù)，則使用核電推進(jìn)/電源的雙模式空間核動力系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

從空間核反應(yīng)堆技術(shù)總體上看，美國、俄羅斯始終作為空間核動力技術(shù)的研究主力，投入的人力物力巨大，持續(xù)時間長，技術(shù)水平較為成熟，而其他各國則主要自20 世紀(jì)80 年代起開始研究空間核動力技術(shù)，并且規(guī)模較小，多處于概念研究階段。靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換方面，在空間核動力開始研究的初期，對靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)與空間核反應(yīng)堆結(jié)合的研究較多，技術(shù)成熟，除了靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換自身的優(yōu)勢外，其能提供的電功率與20 世紀(jì)美、蘇的空間任務(wù)需求相匹配，重點研發(fā)靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換空間核反應(yīng)堆電源可以在保證可靠性、長壽命的情況下減小質(zhì)量體積。動態(tài)能量轉(zhuǎn)換方面，其具有較高的轉(zhuǎn)換效率，隨著無人/載人空間探測領(lǐng)域發(fā)展的不斷深入，對大功率能源的需求日益迫切，而搭載動態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的核反應(yīng)堆系統(tǒng)可以提供上百千瓦甚至兆瓦級的電功率，能夠滿足現(xiàn)階段空間任務(wù)的能源需求，美國的“普羅米修斯”就將動態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)與核電推進(jìn)系統(tǒng)作為研發(fā)重點，俄羅斯也計劃研發(fā)兆瓦級的載人核動力飛船[36]。通過對空間核反應(yīng)堆電源發(fā)展現(xiàn)狀的分析可以總結(jié)出如下結(jié)論：

1）空間反應(yīng)堆技術(shù)的研究整體上呈現(xiàn)出“多功率等級、多技術(shù)途徑”并存發(fā)展的特征，不同的反應(yīng)堆類型具有不同的適用場景。此外，需求在空間反應(yīng)堆項目研究中扮演了極其重要的角色，需求不強(qiáng)烈的項目往往很快終止，如美國普羅米修斯計劃。對于不同國家，由于國情不同，空間核動力的需求往往也存在差異?，F(xiàn)階段，美國空間核反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展更多是從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，比如裂變發(fā)動機(jī)項目（SAFE）使用成熟的二氧化鈾燃料技術(shù)就是看重其安全性和經(jīng)濟(jì)性。俄羅斯的發(fā)展則更多從能源需求及人才培養(yǎng)角度出發(fā)，研究重點是兆瓦級氣冷布雷頓發(fā)電反應(yīng)堆，俄羅斯在2009 年提出的兆瓦級空間堆計劃能夠促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的傳承和培養(yǎng)新一代空間核動力技術(shù)專家。

2）不同國家在空間核動力領(lǐng)域的發(fā)展路線雖有所不同，但不可否認(rèn)的是，空間核反應(yīng)堆技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向之一。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，火星探測及月球開發(fā)等成為各航天大國在航天領(lǐng)域的發(fā)展重點，其中涉及的無論是空間載人、載貨任務(wù)還是星表核電站的建設(shè)都離不開大功率的空間核反應(yīng)堆，美國一直將空間核動力技術(shù)看作是能“改變游戲規(guī)則”的關(guān)鍵技術(shù)，美、俄均開展過規(guī)模龐大的大功率空間核動力技術(shù)研究，且均在多份報告中對大功率空間核動力的發(fā)展需求進(jìn)行了闡述。除了美、俄兩國，歐盟、日本、印度等也相繼展開研究，各航天大國都致力于空間核動力尤其是空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的研發(fā)，不斷的有創(chuàng)新概念被提出。空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)對于任何一個航天大國都將是未來發(fā)展的重心之一。