導(dǎo) 讀

為了解決深空探索中的能源供給問題，美國國家航空航天局(NASA)正在進行空間核裂變反應(yīng)堆的研發(fā)，如著名的KiloPower和正在概念驗證階段的核熱推進(NTP)計劃。隨著核裂變反應(yīng)堆的逐漸成熟，美國開始積極研究和規(guī)劃其在深空探索中的具體應(yīng)用。

1.月球相關(guān)裂變能源

2020年7月,美國愛達荷國家實驗室(INL)承包商巴特爾能源聯(lián)盟有限責(zé)任公司(BEA)發(fā)布星球表面裂變能電力系統(tǒng)(FSP)信息征詢書(RFI)，目的是向合作伙伴征集下述信息：可供在月球和火星上建設(shè)和部署的核反應(yīng)堆的測試和驗證技術(shù)和方法。

征詢書指出，隨著太空探索活動時間的持續(xù)增長，NASA需要比以往更加耐用、更具彈性且更加可靠的能源。小型反應(yīng)堆能夠為空間探索提供必要的電力。通過核裂變能電力項目(NFPF)，NASA已明確在月球表面建設(shè)反應(yīng)堆系統(tǒng)的需求。

在完成信息征詢后，將發(fā)布項目第一階段招標(biāo)書(RFP)，并完成星球表面裂變能電力系統(tǒng)工程示范裝置(FSP-EDU)的初步設(shè)計。第二階段將完成FSP-EDU的最終設(shè)計、設(shè)備制造、建設(shè)和地面測試，最終還將交付一個將在月球表面部署的裂變能電力飛行系統(tǒng)(FSP-FS)。征詢書同時指出，將FSP-FS設(shè)計為不需要進行重大設(shè)計變更便可擴展至火星表面運行是至關(guān)重要的，火星探索比月球需要更長的時間，因此這一擴展的可行性必須納入FSP-EDU和FSP-FS的設(shè)計中。

2020年9月，NASA正式公布了“阿爾忒彌斯”(Artemis)月球探測計劃。根據(jù)Artemis計劃，NASA將于2021年開始運用機器人開展月球無人探測，在2024年前運送美國宇航員重返月球，并在2025至2030年間建立環(huán)月軌道空間站和月球表面基地以實現(xiàn)美國月面持續(xù)駐留，為未來美國宇航員登陸火星的任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

在Artemis計劃中，NASA明確了會在其后續(xù)階段逐步建立月球表面電力系統(tǒng)(LSP)為支持整個月夜期間持續(xù)的探測活動提供電力供應(yīng)，并能夠為將來的載人火星探測所用。NASA正開發(fā)的KiloPower模塊化電力系統(tǒng)正是LSP的核心，它非常適合為載人著陸器、宇航員居住艙、在橢圓軌道持續(xù)運行的月球資源勘測系統(tǒng)提供電力。

KiloPower在月球表面的潛在應(yīng)用

2.火星相關(guān)裂變能源

2020年，NASA提出了將人類送上火星的6項關(guān)鍵技術(shù)，包括快速空間推進、隔熱罩、火星宇航服、火星表面能源、漫游車和激光通信，這其中的三項與裂變反應(yīng)堆有關(guān)。

快速空間推進

前往火星的宇航員將進入深空約1.4億英里，這要求推進系統(tǒng)能快速、安全地提供動力，這樣可以在短時間內(nèi)到達目的地以減少宇航員遭受的太空輻射。NASA正在研究多種推進選擇，包括核電推進和核熱推進。兩者都使用核裂變反應(yīng)堆，但彼此有所不同。

核電推進使用核反應(yīng)堆發(fā)電，由電力帶動推進器運行，效率更高，但不會產(chǎn)生很大的推力;核熱推進使用核反應(yīng)堆加熱液態(tài)氫氣，由高溫高壓氫氣流經(jīng)噴管高速噴出進行推進，雖然效率稍低，但可以提供上萬牛的推力，相比之下NASA對核熱推進更有熱情。

充氣式隔熱罩

NASA正在研究一種充氣式隔熱罩，與剛性隔熱罩相比，該隔熱罩可大幅減少占用運載火箭的空間。該技術(shù)可以將航天器降落在任何有大氣層的星球上，可有效幫助航天器在進入火星大氣層時完成減速，以實現(xiàn)安全著陸。即將進行的直徑6米(約20英尺)隔熱罩原型的飛行測試將展示其進入地球大氣層時的性能。該測試將證明它可以在進入火星時經(jīng)受住高溫。

工程師準(zhǔn)備在充氣結(jié)構(gòu)上安裝柔性隔熱罩

高科技火星太空服

NASA正在研制的高科技火星太空服采用模塊化設(shè)計，配備便攜式生命保障系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)，并加強了對宇宙輻射的防護，可確保航天員在火星表面自由行走。

火星漫游車

為了減少在火星表面上著陸的設(shè)施數(shù)量，NASA將研發(fā)一種居住和實驗一體化的火星漫游車，該漫游車配有航天員所需的一切生活用品和實驗設(shè)備，可維持?jǐn)?shù)周。NASA近幾年發(fā)射的火星車都采用了同位素電源，但它們依靠钚-238的自然衰變運行，并且只提供一百瓦左右的電力，所用的钚也很昂貴、難以制造且供不應(yīng)求。而KiloPower可以提供10kW的電力，是漫游車的理想動力源。

火星漫游車后部折疊起來的KiloPower核反應(yīng)堆概念圖

可持續(xù)電力系統(tǒng)

由于火星上周期性的沙塵暴氣候可持續(xù)數(shù)月，因此核裂變供能系統(tǒng)比太陽能系統(tǒng)更可靠，NASA已經(jīng)在地球上測試了核裂變動力技術(shù)，并證明了該技術(shù)的安全性和高效性，且可長時間供能。NASA計劃首先在月球上演示并使用核裂變動力系統(tǒng)，然后在火星上進行演示。

火星裂變供能系統(tǒng)，同樣采用KiloPower

激光通信系統(tǒng)

NASA計劃使用激光通信系統(tǒng)在火星和地球之間傳輸數(shù)據(jù)，激光通信系統(tǒng)可向地球發(fā)送大量的實時信息和數(shù)據(jù)，包括高清圖像、視頻等。使用當(dāng)前的無線電通信系統(tǒng)，向地球發(fā)送火星地圖可能需要9年，而使用激光通信則僅需要9周。NASA已于2013年在月球演示中證明了激光通信的可行性。

2013年激光通信演示

3.探測器潛在選項

泰坦-土星系統(tǒng)任務(wù)

泰坦-土星系統(tǒng)任務(wù)(Titan Saturn System Mission,簡稱TSSM)是NASA和ESA聯(lián)合土星探測項目，原計劃于2020年發(fā)射,從火星和木星獲得重力輔助，于2029年抵達土星系統(tǒng)。為期4年的主要任務(wù)將包括兩年的土星任務(wù)、2個月的泰坦航空采樣和20個月的泰坦軌道駐留。但在2009年由于木星及其衛(wèi)星的任務(wù)優(yōu)先于泰坦-土星系統(tǒng)任務(wù)而被推遲，但TSSM將繼續(xù)評估可能的開發(fā)和發(fā)射。

使用ASRG的TSSM(左)，使用KiloPower的TSSM(右)

TSSM最初設(shè)計時使用500W同位素電源ASRG，2014年由NASA空間系統(tǒng)參數(shù)評估協(xié)作建模(COMPASS)重新審查，在研究中安裝了1kWe KiloPower反應(yīng)堆進行概念設(shè)計。原始的基于同位素電源的電力推進航天器質(zhì)量更小，行程時間更短，但裂變反應(yīng)堆電源允許更多的功率用于科學(xué)儀器，允許以更高帶寬進行實時、連續(xù)通信，同時由于可用功率的增加而允許更高分辨率的成像。

凱龍星(Chiron)軌道器

該設(shè)計用于飛越半人馬小行星2060 Chiron。最初于2004年作為跨太陽系放射性同位素電源推進研究的一部分提出，于2014年由COMPASS團隊在KiloPower動力架構(gòu)下重新審查。但其發(fā)表的成果較少。

使用KiloPower的凱龍星軌道器

木星-歐羅巴軌道飛行器(JEO)

木星-歐羅巴(Jupiter-Europa，Europa是木星的第二顆已知衛(wèi)星)軌道飛行器是美國Europa Clipper(計劃2023年發(fā)射)的前身，最初設(shè)計有5個同位素MMRTG(相當(dāng)于1個ASRG，500We)。但是，如果使用1kWe反應(yīng)堆，該設(shè)計可能具有兩倍的可用功率、更高的數(shù)據(jù)返回率和更好的數(shù)據(jù)收集能力。這將使發(fā)電設(shè)備的質(zhì)量(MMRTG為260千克)再增加360千克，但同時也消除了對钚-238的需求。

木星-歐羅巴軌道飛行器

總結(jié)

隨著KiloPower取得階段性成果及NTP計劃開始實施，NASA開始規(guī)劃和探索核裂變反應(yīng)堆在空間的潛在應(yīng)用。其中，月球和火星表面電力供應(yīng)是核裂變反應(yīng)堆的主要應(yīng)用領(lǐng)域，NASA已經(jīng)有明確的規(guī)劃推進其實施。深空探測器是潛在的應(yīng)用選項，NASA及其它研究機構(gòu)都有研究成果發(fā)布。

主要信息來源

[1] KILOPOWER: NASA’S OFFWORLD NUCLEAR REACTOR.

[2] Special Topic for Nuclear CLT: Kilopower Project.

[3] 《NASA Artemis計劃》artemis_plan-20200921.

[4] 6 Technologies NASA is Advancing to Send Humans to Mars.

[5] 王立武,郭東文,張章,呂智慧,趙淼,劉宇.美國宇航局Artemis月球探測計劃簡介[J].航天返回與遙感,2020,41(05):1-12.

[6] 李穎涵,伍浩松.美發(fā)布月球表面裂變能電力系統(tǒng)信息征詢書[J].國外核新聞,2020(08):11.