为了满足未来太阳系边界探测、深空轨道转移和载人往返火星等空间任务的多元化需求，空间核动力技术应运而生，其可以突破常规能源推进方式的限制，大大提高推进系统的比冲，同时克服太阳能受限于太阳距离的问题，在深空探测领域具有广阔的前景。空间核动力技术可以为航天器提供多种新型推进方式，主要包括核电推进、核热推进，以及核热、核电、化学能等的组合动力推进，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片、核脉冲、核冲压。空间核动力通常包括核反应堆、能量转换模块和配套的推进系统，以及热力和电力控制等辅助系统与桁架等结构模块。
空间核动力主要是指能量来源是核能的空间动力系统，其衍生概念还包括空间核热源、空间核电源，如图1所示，但空间核动力主要偏向于空间核能推进系统。核能推进技术主要包括核电推进与核热推进两种方式，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片（利用磁场将可控核裂变过程中产生的高能裂变碎片沿同一方向喷射，从而产生推力），核脉冲（在火箭后面安装推进盘，利用核弹爆炸的冲击波推动火箭前进），核冲压（利用大气作工质，代替贮箱供给推进剂的核热火箭），以及核热/核电的双模式推进。本文主要介绍核电与核热两种主要空间核动力形式。
核电推进是指将核反应堆的核裂变/聚变或者放射性同位素衰变产生的热能通过热电转换产生电能，再利用电推进系统产生推力的推进方式。目前，大功率的空间核电推进系统均是依靠反应堆核裂变产生的热源设计，一套完整的核电推进系统如图2所示。空间核电推进系统通常由空间核反应堆、热电转换系统、热排放系统、电源管理和分配系统、大功率电推进等子系统组成。
核电推进系统中如何将核反应堆产生的热能转换为电推进系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方式包括以布雷顿、斯特林和朗肯热力学循环为主的动态转换，以及以温差发电和热离子发电为主的静态转换，如图3所示。温差发电与热离子发电的使用历史悠久，技术相对成熟与稳定。美国早期的同位素航天器（包括“子午仪”4A军用轨道卫星、“旅行者”1探测器等）和苏联BUK核反应堆卫星均采用温差发电方式，苏联TOPAZ空间核电源则采用热离子发电方式。然而，静态转换形式的效率偏低，对于采用核裂变反应堆的大功率核电推进航天器来说，为了保持较高的功率密度，应尽量减少反应堆、辐射屏蔽层和废热散热器等的体积、质量，需要进一步提高热电转换方式的效率。动态转换的效率与静态转换相比有明显提升，这也是目前俄罗斯、美国、欧盟的兆瓦级核电推进航天器均选择动态热电转换方式的原因。在动态转换方式中，斯特林循环的效率高，但不能很好地扩展到百千瓦以上的大功率系统；在兆瓦级大功率等级下，布雷顿循环在功率、效率、质量、寿命及可靠性的综合指标上表现更好；朗肯循环在高效率与排热温度上具有潜力，但两相系统的设计是一个更大挑战，技术成熟度较低。
核热推进是指利用核裂变产生的热能加热推进工质，并由推力室喷管加速喷射而产生推力的一种推进方式。核热推进最简单的模式如图4所示，即在推进系统中只有一条主推进剂管路，液氢工质从储罐中流出进入泵加压，推动涡轮做功，还有一部分氢进入喷管冷却套，此部分液氢的作用是冷却喷管和预热工质，两条路径最后都进入反应堆堆芯吸取大量热量，并通过推力室及喷管高速喷出，从而产生推力。
美国在20世纪50年代率先投身于空间核电推进的研究，截至目前，美国已经发射了40余个带同位素电源的航天器。其中，百瓦级的同位素热电转换材料选用SiGe高温材料，电功率达到170W，热端温度超过1000℃，已成功应用在“旅行者”1航天器上，寿命超过43年。这种空间同位素电源提供的电功率相对较小，而核电推进需要利用核反应堆的核裂变/聚变通过热电转换获得更大功率的电能。
1955年，美国原子能委员会启动了空间核辅助电源计划（SNAP），并于1965年4月成功发射了人类历史上第一个在轨运行的空间核反应堆电源——SNAP-10A，其采用温差热电偶发电的方式为航天器提供500W的电功率，在运行43天后被永久关闭。此后，美国在太空任务发展规划的优先级上不断进行调整，空间核动力领域的有关研究虽继续取得重要进展，如SP-100计划、应用于运载火箭的核发动机计划和“普罗米修斯”计划等，但再也没有进行实际飞行试验和在轨应用。
1983年，美国为了提高空间能源供给和防御苏联的导弹攻击，启动了“战略防御”计划（SDI）。该计划采用热电偶热电转换技术作为发电方式，采用锂冷快堆技术，设计输出功率为100kW，使用寿命为7年，设计出SP-100空间反应堆。SP-100可以结合不同的空间推进器完成指定任务，使得核电源成为航天器重要的电源之一。
2002年，美国相关行政部门提出发展深空探测的计划；2003年，美国国家航空航天局（NASA）提出了“普罗米修斯”计划，公布了“木星冰月轨道器”（JIMO）的部分设计参数，该任务计划采用高温气冷快堆作为堆芯，采用布雷顿热电转换方式作为发电方式，选择离子推进器作为电推进系统，计划在2015年设计出电功率为200kW、比冲大于6000s、使用寿命为20年的远距离木星探测器。
2006年，由于美国将重点放在研究星表核反应堆（FSP）电源上，“普罗米修斯”计划终止，但是美国在设计千瓦级核反应堆电源方面取得了重大突破，并在地面进行了同步实验，验证了星表电源在深空探测活动中使用的可行性。
2015年7月，美国发布了详细的《NASA技术路线图》，在核电推进技术方面将空间核反应堆电源划分为3个功率等级：1~10kW的应用场景为科学任务总线电源与载人探测星表能源，10~100kW的应用场景为载人小行星探测等灵活路径任务，1~5MW的应用场景为具有低质量密度要求（5kg/kW）的载人火星探测任务。NASA在2020年发布的《NASA技术分类》中分别在推进系统及空间电源与能源储存分类下强调了空间核动力推进及空间核反应堆电源。
美国在空间中应用的涉核技术主要为放射性同位素电源，如2020年7月30日发射的“毅力”（Perseverance）火星车的动力即由多任务放射性同位素热电发生器供应。目前美国最新的空间核动力计划为千瓦级电源计划（Kilopower），发电功率为1~10kW，2018年3月，“采用斯特林技术的千瓦级反应堆”（KRUST）项目的1kW演示机获得成功，如图5所示，成为40年来首个进行完全测试的空间核裂变反应器。
美国同样在20世纪50年代也率先开始进行空间核热推进的研究。1962年，美国启动了火箭飞行器用核引擎计划（NERVA），研制空间核热发动机，任务目标是“为空间任务提供核热推进的技术基础”。美国建造和试验了20余台核热火箭发动机试验反应堆，完成6台核热火箭发动机或推进系统的台架试验，其中NRX-A3的试验功率达到1165MW，NRX-A5/6的单次试验时间达到62min，NRX-ETS-1则在1100MW下累积工作时间达到228min，比冲为825s。之后洛斯阿拉莫斯（Los-Alamos）实验室在Kiwi反应堆的基础上又进一步研发了更大功率的“太阳神”（PHOEBUS）反应堆，先后经历了多个阶段，最大功率达到4082MW，工作时间达到12.5min。NERVA计划取得的成果达到并超过其原定目标，验证了核热火箭发动机是一种可行可靠的深空探测动力装置。尽管NERVA核热火箭发动机已经尽最大限度地使用可用于飞行的组件来生产和试验，并且发动机也正准备与飞行器集成，但在进行太空飞行的梦想实现之前，NERVA计划随同其他耗资巨大的太空项目被尼克松政府取消。Rover/NERVR计划的研究成果最终为核热推进的发展奠定了坚实的基础，目前为止，美国各型号的核热火箭发动机都是在NERVA项目下研发的。
20世纪80年代末至90年代初，美国启动了空间核热推进（SNTP）项目，研究结构更为紧凑、推重比更高的空间核热火箭发动机。空间核热推进的应用方向包括高速、运载火箭上面级、轨道转移飞行器（OTV）和轨道机动飞行器。SNTP项目提出的核热火箭发动机技术指标为：推力89~356kN，比冲1000s，推重比25:1~35:1。按照原计划，SNTP项目分为3个阶段：（1）验证颗粒床反应堆用于空间核热发动机的可行性；（2）完成空间核热发动机地面演示验证试验；（3）完成空间核热火箭发动机飞行演示验证试验。
进入21世纪以来，随着“空间探测新构想”的提出，NASA又重新大力推进空间核热推进技术的研究。2007年1月，NASA委托火星架构工作组开始研究载人火星设计参考架构5.0版（DRA5.0），并于2009年正式发布，如图6所示。
图6 美国DRA5.0基于空间核热推进的“7次重型发射”载人登陆火星探测任务模式
2015年7月发布的《NASA技术路线图》中给出了核热推进技术具体的工作参数：推力111kN、比冲900s、最长单次工作时间46min、累计工作时间85~102min等。
美国国防高级研究计划局于2022年6月选中3家相关公司签订了大型核热推进项目第一阶段演示火箭的合同，包括专门从事空间基础设施的初创公司Intuitive Machines、西屋电气公司与洛马公司。该项目的目标是支持“阿尔忒弥斯”月球探测活动的后期阶段，推进核裂变技术研究，为航天器提供小型空间反应堆及其配套动力设备，将在2025年之前对近地轨道的热核动力推进进行测试。
自20世纪50年代开始，苏联同期对空间核动力开展了广泛且深入的研究，以BUK型温差热电转换的空间核电源为代表的动力装置在“宇宙”系列侦察卫星中先后完成了数十次成功在轨应用。在此基础上，苏联还成功发射了TOPAZ-Ⅰ型热离子转换核电源且实现在轨应用，并完成了TOPAZ-Ⅱ型核电源的全尺寸样机研制及地面测试，为空间核动力的技术发展积累了大量经验数据。随着苏联解体，相关研究也由于经费不足而步入低潮。
进入21世纪以来，着力发展深空探测的国家战略让俄罗斯重新进行空间核动力研究。2008年4月24日，俄罗斯政府批准了《2020年前及以后俄罗斯联邦在空间活动领域政策的原则》，表明俄罗斯政府对全面开展空间研究、探索和利用的重要需求，时任总统梅德韦杰夫批准了总值170亿卢布的空间核动力系统计划。俄罗斯有关方面经过技术论证，认为核热推进研发成本过高且应用场景有限，而俄罗斯近年来在电推进方面取得的技术进步提升了核电推进方案的技术可行性，因而决定集中力量对大功率热电转换技术进行攻关，并与欧盟国家开展了广泛的国际合作。
2009年12月，俄罗斯联邦航天局宣布，将开发用于行星间载人或无人任务的兆瓦级空间核动力飞行器，即运输动力模块（TEM），如图7所示，由Keldysh研究中心和Energiya航天公司联合设计。该兆瓦级空间核动力飞船由空间核电源系统进行供电，支持电推进系统实现深空探测任务，采用超高温气冷快堆+闭式布雷顿循环发电+热管/液滴辐射散热的技术方案。该空间核动力飞船最早于2012年完成系统初步设计，迄今为止，又经历了多次方案变化，对承重桁架设计、散热系统配置、空间结构布局等方面进行了调整完善。2018年10月，核动力发动机装置的冷却系统进行了地面测试；同年12月，Keldysh研究中心宣布了在露天场所进行测试的准备工作。2019年，俄罗斯联邦航天局称其已经开发了设计文档并测试了TEM模型的组件，Keldysh研究中心还因为该项目进度延误被罚款1.5亿卢布。2020年9月，俄罗斯军火库设计局（KB Arsenal）开始着手组装核动力飞船，计划在2030年前将第一艘核动力太空拖船送入轨道并开展飞行试验。根据飞行计划，第一阶段，拖船将与有效载荷模块停靠在太空中并到达月球，对其进行探测并将一颗研究卫星留在其轨道上；第二阶段，拖船将继续飞往金星并在途中进行补加氙气燃料的测试，在金星上一颗研究卫星也将从有效载荷模块中分离出来；而拖船本身与其余的科学设备将进行引力机动，进入第三阶段到达木星卫星的飞行任务，最终对其进行研究。
截至目前，TEM的工作已经移交给俄罗斯军火库设计局，以制造飞行样机，但在Keldysh研究中心，核拖船推进系统、散热器冷却和自修复材料的工作仍在继续。Keldysh研究中心负责人在近期对外公布，TEM已经开始生产兆瓦级空间核电推进系统中的4台250kW霍尔电推进器，计划于2024年进行地面测试。
欧洲在空间核动力领域的最新政策主要围绕面向2030—2040年的兆瓦级国际空间核电推进（INPPS）飞船开展，现阶段主要支持了DiPoP、DEMOCRITOS、MEGAHIT这3个项目的发展，在项目中充分开展国际合作。最新的DEMOCRITOS即“电推进系统转换器、反应堆、辐射器、推进器演示验证”项目由英国NN、德国DLR、俄罗斯Keldysh研究中心、意大利TAS，以及法国ASL、ESF、CNES等核领域和航天领域的专业研究机构合作开展，巴西IEA作为观察员。技术路线kW的闭式布雷顿循环，将热管辐射反应堆的热量转换成电推力器所需的电能。目前正在进行单机设计及地面演示验证装置基准测试初步设计，计划在2025年前进行全系统试验。
DEMOCRITOS项目目前已经完成了1MW量级核电推进太空飞船初步设计工作，并针对木卫二和火星探测任务给出了两套整体方案，根据任务进行的空间环境与系统要求的不同，分别采用了不同的反应堆防护层和散热器结构，最终目标为具备向木卫二运送12t货物及向火星运送18t货物的能力。
在法国的推动下，2019年，欧空局（ESA）发布了最新的《空间核电源使用安全政策》，建立了适应最新发展要求的空间核动力领域的安全准则框架，为未来的基础研究和工程应用奠定了政策基础。
英国罗尔斯·罗伊斯公司于2023年2月公布了空间微型反应堆的初步设计与空间核能推进方案，如图8所示，该设备采用核裂变系统利用原子分裂过程中释放的能量，在空间或星表基地提供动力。罗尔斯·罗伊斯公司已经与英国航天局达成协议，主要研究未来空间探索中的核动力方案。
钱学森早在1949年就率先提出了发展核火箭的构想，并于1958年在原北京航空学院设立了核火箭发动机系。其后，受国际应用趋势和国内发展方向影响，相关研究一度陷入停滞。进入21世纪后，空间核动力推进逐渐被重新提上日程。空间核动力推进具有研发周期长、学科跨度大、技术难度高的特点，美国和俄罗斯进行了长期研究，但距离实际应用仍有一定差距。我国在该领域起步晚，存在不少技术空白，若要达到跟跑甚至领跑水平，利用空间核能推进技术实现未来远距离深空探测目标，亟须梳理总结该领域当前遇到的技术瓶颈问题与发展趋势。基于对国外空间核动力技术发展现状的观察与分析，可以得到多项对我国发展空间核动力的重要启示。
对于利用核能的新型空间推进方案，核安全在该技术是否可以投入实际应用上具有一票否决权。应当通过空间核反应堆安全防护技术，识别并归纳从发射、入轨到工作、返回各个阶段可能发生的安全事故，建立故障概率评估模型，确定相应的安全要求与安全准则。针对影响重大的严重安全事故，如在轨失冷、发射掉落等，应充分进行理论论证，制订应急安全措施预案，并反馈到空间核动力系统总体设计中，确保空间核动力的安全在可控范围之内。与美俄已经具有空间核动力飞行器的在轨应用经验相比，我国在该领域的实际应用尚处于空白，亟须建立适合我国技术水平的安全评估与安全管理体系，提高研发过程的安全性与透明度，减少民众担忧。
有关核动力航天器的国际规则主要是1993年的《关于在外层空间使用核动力源的原则》和2009年的《外层空间核动力源应用安全框架》，相关的国际规则谈判工作正在开展。我国在发展空间核动力推进技术的过程中也应当合理预判空间核动力规则国际谈判形势，在战略层面上对自身角色进行合理定位，确保我国空间核动力航天器应用发展的政策空间，积极参与、引导甚至主导国际规则的制定。
不论是核电推进技术还是核热推进技术，空间核反应堆作为能量来源，一般通过热中子轰击燃料的原子核引发核裂变链式反应释放能量，与中子的时间、能量及空间分布密切相关，反过来又对推进系统的整体性能产生直接影响。空间核反应堆与地面核反应堆具有明显差异，要求质量更轻且结构紧凑，在出现一切事故的情况下反应堆都不能临界。反应堆与高温换热、废热排放等分系统之间还具有强烈的耦合相关关系，瓶颈在于耐高温材料及其加工工艺。空间核反应堆需要将工质在头部极短的流程内瞬时加热到工作温度，这对燃料芯体的功率密度、燃料元件与工质之间的换热能力提出了更高要求，使得反应堆具有轴向流动温度梯度大、燃料元件结构承受工质的热物性复杂等特点，给设计带来了很大难度。应基于目前已有的数据与模型，利用高性能计算仿真技术，综合考量功率、质量、工质温度、体积、寿命、反应性控制、临界安全等各参数之间的匹配和制约关系，合理选择燃料元件的布置与结构、工质流道设置、反射层结构、反应性控制方式等，进行反应堆方案论证和设计，筛选确定转化效率高、技术成熟度高、可行性强的系统方案。
热电转换作为核电推进的核心系统，其将核反应堆的热能转换为能够被直接利用的电能，针对未来空间核动力航天器对大功率电源的需求，为提高能量利用效率，保障深空探测任务的实施，必须发展高效、高可靠、功率密度大、与核反应堆灵活适配的热电转换系统。国际上典型空间热电转换案例中使用的方案与性能参数对比如表1和图9所示，可以发现，当空间电源的需求功率小于1kW时，通常选用热电偶转换技术；当需求功率为1~10kW时，发展热电偶转换、热光伏转换、热离子转换、碱金属转换或斯特林发动机更加合适；当需求功率为100~1000kW时，建议发展热离子转换、朗肯循环和布雷顿循环热电转换技术；当空间电源的需求功率大于1000kW时，磁流体转换是更为合适的热电转换方式。在3种效率更高的动态热电转换方式中，斯特林循环效率相对较高，但不能很好地扩展到百千瓦以上的大功率系统；对于百千瓦至兆瓦级的大功率热电转换系统来说，采用朗肯循环形式能够获得相对更高的功率密度，但空间环境下的两相系统设计是一个更大挑战，技术成熟度较低；采用布雷顿循环形式的兆瓦级大功率热电转换系统在功率、效率、质量、寿命及可靠性等综合指标上均具有优势。目前国际公开的设计方案中兆瓦级空间热电转换系统均推荐使用布雷顿循环形式，兆瓦级功率输出条件下布雷顿循环的系统功率密度还能进一步超过朗肯循环。
在空间环境中，系统废热只能通过热辐射的方式进行排散，而辐射散热器占据了系统绝大部分的空间结构，必须通过提高辐射散热器的性能来减小整个推进系统的质量和尺寸。目前航天器可以封装的可展开辐射散热板最大面积已经从美国“普罗米修斯”计划设计的542m2提升至“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭公布的2500m2，空间大型可展开散热器的材料选取、结构设计与作用机制仍存在难点。整套大型可展开散热系统需要满足发射和运行过程中的负载要求，同时通过可伸缩的桁架提供足够的刚度以避免干扰其他系统运行。当前，热管式和泵驱动中高温流体回路式散热系统具有较好的基础，但是存在系统质量大且只能通过增大散热面积扩大散热量等缺点。液滴散热器具有更高的散热效率，其中作为热载体的工作液体通过液滴发生器的喷口直接进入空间飞行一段距离，通过辐射放出热量，然后被液滴收集器回收，将是未来技术研究的重点，如图10所示。当空间核电源与大功率电推力器组合使用时，电推进系统同样面临散热问题，应该统一考虑整个航天器的辐射散热设计，有利于降低系统整体质量和尺寸。
虽然与常规推进剂相比，核燃料的能量密度极高，不存在牺牲载荷的问题，但是空间中需要对反应堆的能量释放速率进行安全、精确、可靠控制，因而对芯体材料的选择与构型提出了极高的要求，应能够在高温、腐蚀、辐照的环境下稳定工作。一方面，反应堆燃料的工作温度与能量转换效率密切相关，燃料元件需要在尽可能高的温度下保持优良的力学性能和热学性能；另一方面，有效传递到能量转换机构的热量决定了空间核动力装置的功率，用于强化工质换热的结构元件需要保持长时间的耐辐照可靠性及与高温工质的相容性。在材料选型的基础上，还需进一步对燃料芯体的成分配比与粉末制备工艺、结构元件的密封焊接工艺等进行深入研究，最终掌握空间核反应堆芯体制造工艺。
在空间核反应堆的利用过程中，需要对堆芯进行有效的辐射屏蔽，由于不同材料能够屏蔽不同种类的射线，一般通过多种材料复合的方式获得轻质高效的核辐射屏蔽层。例如，γ射线能够在具有高原子序数的贫化铀或钨材料中迅速衰减，而热中子则能够被碳化硼或氢化锂等含有轻元素的材料来慢化和吸收。不同材料之间具有不同的耐温性能及辐照肿胀特性，需要在综合考虑轻质化要求的基础上，对复合层进行合理设计，避免层面脱落破坏屏蔽。
时代的发展对此类大体量涉核研究的经济性与实效性都提出了更高的要求，世界各国在充分利用现有陆地核反应堆技术的基础上，普遍采取国际合作和民间融资的方式，均摊研发风险，提高研发效率。以美国Kilopower项目为例，NASA在分系统中广泛采用包括斯特林发电机在内的成熟商业组件，有效提高了总体方案的可靠性。近年来，国际政治局势和经济形势发生重大变化，我国更应积极推动空间核动力发展，在缺乏国际合作的情况下充分利用民间资本与技术，特别是适当放开非核动力组件，利用我国商业制造能力优势促进总体研发能力的提升。
在动力系统试验中广泛采用非核试验，降低试验难度和维护成本，在没有辐射安全风险的前提下，通过电加热模拟核反应堆对动力组件的热可靠性进行充分论证。在空间堆系统试验中对辐照特性进行测试，建立完善的核辐照仿真方法，尽可能在涉核试验前提高技术成熟度，将失败甚至泄漏风险降至最低。
面向未来超远距离的深空探测任务，空间核动力凭借其高比冲、大推力、长寿命等特点，成为此需求下目前最为可行的空间推进方案，尤其是利用核能热电转换与电推进系统共同实现的核电推进方式。
目前，大多数国家都涉足了空间核动力方案的探索，尤其是美国、俄罗斯等航天强国。综合各国的技术发展路径和最新研究成果来看，由于空间核动力具有极高的能量密度和运行稳定性，发展空间核动力飞行器是未来深空探测的必由之路。各个国家也根据自身技术条件确定了适合自己的发展路线，大功率核电推进逐渐成为近年来该领域的主流选择。
目前，我国在空间核动力领域还尚未有国家层面的发展规划出台，技术储备仍然比较薄弱，相关的科研力量也较为分散。虽然相关机构在各个子系统的重点技术方面进行了一定的理论可行性研究与性能提升工作，但仍然缺乏系统级的统筹协调，难以形成研究合力。我国现阶段亟须在充分论证的基础上建立中长期规划，重视空间核动力技术的发展，尽早建立健全空间核安全评估体系，识别关键技术及发展方向，同时提升研发的经济性与实效性。
本文转载自“中国航天”，作者：薛翔1,2 王浩明1,2 王园丁1,2（1.上海空间推进研究所；2.上海空间发动机工程技术研究中心），原标题《国外空间核动力技术发展现状及启示》。
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