核動力技術：加速人類登陸火星的征程

院士的話

載人火星探測任務是載人航天領域的長遠目標項目，也是航天大國的競爭新疆域。而火星距地球的距離約是地月之間的500倍，不僅使航天器的規(guī)模及任務難度遠大于地月間往返，宇宙中的長時航行還將帶來空間輻射、微重力等問題對航天員產生不利影響。開發(fā)地火間快速往返技術是實現安全載人火星任務的最基本要求，而目前主流的化學火箭推進系統(tǒng)的能力難以適應載人火星任務，存在比沖低（≤500s）、質量大、在軌組裝難等問題，更高效的核熱、核電推進技術成為發(fā)展應用的方向。核熱推進利用核反應堆產生的裂變熱能把氫氣等低分子量推進劑加熱到很高的溫度，然后將高溫高壓的推進劑從噴管高速噴出，產生高比沖（≥900s）。核電推進把核反應堆的裂變熱能轉換成大功率電能，供給電推進系統(tǒng)使用。推動核動力載人火星往返運輸器研究發(fā)展，是實現快速高效地火往返的重要途徑，對提升我國進出外空、利用外空能力，建立航班化載人航天運輸系統(tǒng)以及建設航天強國具有重要意義。

王巍

中國科學院院士

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登陸火星是人類探索宇宙的重要目標

火星對人類來說一直是特殊的存在，火紅色的整體外觀更是讓這顆行星格外惹人關注。人類對火星的觀察和探測歷史已經超過3500年，包括了對火星的地基觀察和航天探測。從火星在太陽系中的位置來看，它是太陽系八大行星之一，離太陽由近至遠的次序排列為第四顆。在太陽系八大行星之中，火星也是距離地球第二近的行星（最近的是金星）。大約每隔26個月就會發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會達到極小值，通常不足1億公里，而在火星發(fā)生大沖時，距離甚至不足6000萬公里，這為人類地基觀察火星提供了更好的條件。

人類的火星探測之路充滿了坎坷，近一半的探測器，尤其是早期發(fā)射的探測器，都設有能夠成功完成任務。但火星對人類似乎有一種特殊的吸引力，因為它是太陽系中最近似地球的天體之一。此外，根據科學家推測，火星上曾經應該有著巨大的湖泊存在，這對于人類尋找外星球生命和未來人類移民，有著重大的意義，因此，探索火星一直是人類探索宇宙的重要目標。

▲火地距離與火星探測器發(fā)射窗口的關系

核動力載人火星探測登上舞臺

載人火星軌道運輸器的技術路線中，采用傳統(tǒng)化學推進和太陽能電推進對任務帶來了挑戰(zhàn)和不確定性。不同于其他地月空間采用傳統(tǒng)推進的航天任務，核動力技術受到了載人火星探測的青睞，新世紀以來，針對載人火星探測中軌道運輸器的方案大多數涉及到了核動力技術。

▲SpaceX 星箭載人火星任務

為什么會出現這種技術路線的差異呢？火星距地球的距離約是地月之間的500倍，不僅使航天器的規(guī)模及任務難度遠大于地月間往返，宇宙中的長時航行還將帶來空間輻射、微重力等問題對航天員產生不利影響。采用目前主流的化學火箭推進系統(tǒng)，效率較低，要達到往返火星的目標，航天器需要攜帶千噸級的推進劑，遠遠超過目前百噸級的發(fā)射能力，即使采用多次發(fā)射，其在軌組裝、航天器結構等也面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，探索更先進更高效的核熱推進和核電推進等技術應用，成為發(fā)展方向。核推進系統(tǒng)主要可分為核電推進和核熱推進。

▲載人火星太陽能電推進航天器（左）與國際空間站（右）規(guī)模對比

核熱推進

核熱推進的工作原理是采用工作介質流過核熱反應系統(tǒng)（反應堆）吸收能量，產生高溫高壓的氣體，然后通過噴管被加速到超音速，從而產生推進動力。核熱推進比沖相對較高，可達900s，約是傳統(tǒng)化推的2~3倍，可以實現較少的發(fā)射規(guī)模。此外，核熱推進的推力與化推類似，可達到千牛級，能夠提供快速往返火星的能力，從而降低宇航員長期暴露于宇宙和高能太陽輻射的風險，也可為快速應急逃生軌道機動提供大推力。

▲核熱推進系統(tǒng)組成

核電推進

核電推進的工作原理是將核反應堆產生的熱能通過熱電轉換裝置轉換成電能，再通過電源管理與分配裝置將電能提供給電推力器等，為航天器提供推力。電推進的比沖一般可超3000s，遠遠大于化學推進最大約500s的比沖。在相同速度增量下，極大程度的節(jié)省了推進劑質量，可以達到最小發(fā)射規(guī)模。但電推進的推力小，小功率的電推力器通常只有mN級，遠遠小于化學推進上千牛的推力等級。因此，不受深空中太陽光照強度約束又可以高效提供大功率的核電源可以數量級的顯著提升電推進系統(tǒng)的推力。此外，采用少量的化學推進發(fā)動機進行組合推進，用于行星捕獲和逃逸以減少航行時間。

▲DRA5.0 中載人（上）和貨運（下）飛船示意圖

核動力載人火星探測的快速往返優(yōu)勢

雖然太陽能電推進、化學推進、核電推進、核熱推進等各種動力形式均可以滿足往返火星，但實際上載人火星探測任務對軌道運輸器提出了額外的需求：短任務時間和小發(fā)射規(guī)模。短的任務時間意味著航天員著陸火星后，無法等待到最省能量的返回地球窗口，因為這是將近500天的等待，帶來了空間輻射、零重力等長期空間任務的許多其他方面相關的風險。因此，載人火星探測的焦點已轉變?yōu)閿y帶更多推進劑執(zhí)行短期任務，取代低能量需求的長期任務。于是更為高效的核推進技術成為軌道運輸器的最優(yōu)動力形式。

▲核電 - 化學組合推進航天器

實現核動力載人火星探測快速往返的重要意義

核動力載人火星快速往返，是實現人類首次登陸火星、地火航班化運輸、火星移民的重要基礎。以核動力載人火星快速往返技術作為開發(fā)空間先進動力的重要載體，將改變現有化學推進比沖低的技術現狀，在空間高比沖大推力核熱推進、長壽命高效率核電推進等方面取得突破，大幅提高進出空間、空間中機動的能力。同時可作為牽引深空探測工程技術突破的創(chuàng)新引擎，帶動低溫燃料長期低損耗貯存技術、長壽命空間核電源技術、高母線電壓大功率供配電技術、高效熱量傳輸與熱電轉換技術、大功率高比沖電推進技術、高精度導航、制導與控制技術、新興材料制造等眾多新興技術的發(fā)展。突破核動力載人火星快速往返技術，可以大幅提升人類進入近地空間、地月空間、深空等的頻率并縮短航行時間，為建立航班化載人航天運輸系統(tǒng)，高效開發(fā)和探索宇宙具有重要意義。

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