陈 杰，高劭伦，夏陈超，潘 军，周剑雄，罗 超

（1.上海航天技术研究院，上海 201109；2.上海空间电源研究所，上海 201109；3.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

随着人类探索、利用空间的深度与广度不断拓展，亟需空间动力技术不断进步，来提供电源和推进动力的支撑。目前，基于太阳能、化学能的空间电源与空间推进技术，其技术能力发展已接近极限水平。例如，目前太阳光伏电池最高光电转换效率为32%～36%，锂离子蓄电池最高比能量为190～250 Ah/kg，考虑航天器可接受太阳帆面积与质量约束，太阳翼与蓄电池组合输出最大功率约为50 kWe；液体单组元（无水肼N2H4、单推三DT-3、硝酸羟氨基HAN 等）、液体可贮存双组元（四氧化二氮/一甲基肼NTO/MMH 和四氧化二氮/无水肼NTO/N2H4）、液体双元低温推进（液氧/液氢LOX/LH2）推进剂发动机的最高比冲分别为220～245 s、315～325 s 和440～465 s。空间核动力技术是突破空间动力技术能力发展极限的现实可选技术，发展空间核动力技术是航天强国建设的重要战略方向。

空间核动力装置泛指在空间将核能转变为热能、电能和推进动能，为空间应用提供动力的装置。核能包括放射性同位素（或同质异能素）的衰变能[1]、重核裂变能、轻核聚变能、正反物质湮灭能，其中衰变能和裂变能是目前工程上实现可控应用的核能。核能通过衰变和裂变直接产生热能，热能可为空间极端低温环境设备和舱室提供保温；热能也可通过各种热电转换装置转变为电能，为空间设备供电；热能还可直接加热推进工质，经发动机喷管将热能转变为动能，形成核热推进装置，为航天器提供核热推进动力；电能可电离推进工质，对电子和离子施加电场库伦力或电磁洛伦茨力，形成核电推进装置，为航天器提供电推进动力。核能与热能、电能、动能的能量转换关系如图1 所示。

图1 空间核能应用能量转换关系Fig.1 Illustration of utilization of space nuclear energy

空间核动力的技术体制选择主要取决于动力应用、核燃料类型、热电转换、推进方式等。其中，每一种技术体制有特定的适应范围，主要依据使用要求、使用寿命和技术可行性进行合理选择。呈现了适用于不同应用的各种空间核动力系统主要可选技术体制如图2 所示。

图2 空间核动力系统适用不同应用的主要技术体制Fig.2 Different technology options of space nuclear power

空间核电源可用于太阳光照极弱的深远空环境，或有大功率需求的空间应用场景。其中，基于放射性同位素的核衰变电源工作寿命可达几十年，但是仅能提供数瓦到数百瓦电功率，目前其使用主要受限于核衰变材料238Pu 的来源和价格问题；基于空间堆的核裂变电源，可提供数千瓦到数兆瓦的电功率，在功率大于100 kWe 量级时，相对于太阳能电源系统具有明显的优势，如图3 所示[2]。

大功率空间核电推进比冲性能可达5 000～10 000 s 量级，但是仅能提供“牛顿”量级的小推力；空间核热推进推力可达数吨到数十吨量级，采用氢作为工质产生的比冲可达1 000 s 量级，相对最高比冲的低温液氢/液氧化学推进系统，比冲可提高1 倍以上。

图3 各种空间能源类型适应的功率和寿命范围Fig.3 Electric power and using life of different space power

本文重点围绕空间核反应堆电源技术，概述了国外技术发展情况，梳理了其在地球轨道空间及深空探测领域的应用需求，对我国未来空间核电源技术体制提出了发展建议。在此基础上，分析了空间核动力主要关键技术，可为后续空间核动力技术研究提供参考。

1 国际上空间堆电源技术发展现状

从人类进入空间时代开始，早期太阳能电源技术不成熟，触发了苏美两国空间核电源技术的发展。美国虽然是最早实现空间反应堆上天的国家，但是总体上目前俄罗斯在基于裂变堆的空间核动力技术方面处于国际领先地位，美国则在基于放射性同位素衰变能的空间电源方面处于国际领先地位[3-10]。

1.1 苏联/俄罗斯发展情况

苏联/俄罗斯从20 世纪60 年代开始了包括空间核反应堆电源在内的空间核动力技术研究，已经取得了显著的成果，积累了丰富的经验。

从20 世纪60 年代至80 年代，苏联研制了ROMASHKA、BUK、TOPAZ-1 和TOPAZ-2 等多个型号的空间核反应堆电源，电功率从数百瓦至数千瓦量级。其中，ROMASHKA 型仅进行了地面长时间寿命试验，采用液态金属冷却快中子堆和温差发电技术路线，系统质量为508 kg，电功率约为0.5 kWe；BUK 型采用同样技术路线，系统质量为930 kg，电功率约为3 kWe，1970—1988 年共发射了35次，其中成功33 次，运行寿命最长为135 d；TOPAZ-1 型采用液态金属冷却热中子堆与热离子发电的技术路线，系统质量约为1 t，电功率约为7 kWe，1987 年发射入轨两颗，运行寿命最长的为342 d；TOPAZ-2 型采用同样技术路线，改进了发电效率，系统质量约为1 t，电功率约为5.5 kWe，仅完成了地面集成试验，后因苏联解体而研制停止。

苏联解体之后，俄罗斯以国际合作的方式开展了一些空间核动力技术研究，但总体上发展相对缓慢。进入21 世纪，俄罗斯欲重树航天领先地位，2009 年宣布投资170 亿卢布研发兆瓦级空间核动力飞船，用于太阳系内载人或无人的探索任务。兆瓦级核动力飞船电功率约1 MWe，一回路采用高温气冷快堆与布雷顿热电转换，二回路采用泵驱流体回路结合热管或液滴辐射冷却的技术路线，设计使用寿命10 a，拟采用比冲达7 000 s 的离子电推进系统执行空间任务。

1.2 美国发展情况

美国从20 世纪50 年代开始空间核动力研究，同样已有良好的技术储备，把空间核动力视为重要战略发展方向持续投入，其空间核反应堆电源技术的发展包含了几个典型的阶段。

1954 年，美国启动“诱骗者”计划（后改为SNAP 计划）开展空间核反应堆电源研究。在该计划成果支撑下，1965 年美国成功将SNAP-10A 送入太空，使其成为美国第一个也是唯一的空间核反应堆电源系统。SNAP-10A 采用热中子堆结合温差发电技术路线，电功率约0.5 kWe，热电转换效率仅为1.6%，它为卫星平台提供电能，在轨运行了43 d。随着20 世纪70 年代美国空间政策重心的调整，SNAP 计划被终止。

1983 年，美国提出战略防御计划（SDI），催生出了SP-100 空间核反应堆电源，作为其空间能源供应方案。SP-100 采用温差发电的锂冷快堆技术路线，初期电功率为100 kWe，后调整至20～40 kWe。通过结合离子电推力器，SP-100 可被用于火星和小行星探测等多类型任务。1989 年，美国提出以重返月球和登陆火星为目标的太空探索倡议（SEI），曾提出了基于核电推进的无人探测与货运方案（基于SP-100 空间核反应堆）。SP-100 计划于1994 年随着冷战结束而终止。

2003 年，美国实施“普罗米修斯”计划，第一阶段的任务是利用核电推进系统进行木星卫星探测，轨道器称为JIMO（Jupiter Icy Moons Orbiter）[11]。JIMO 设计寿命20 a，采用高温气冷快堆结合布雷顿热电转换的方案，电功率约200 kWe，配备比冲大于6 000 s 的离子电推力器，其外形布局如图4 所示。2006 年普罗米修斯计划由于政策调整而被终止。

图4 美国JIMO 核动力航天器方案示意Fig.4 Illustration of the JIMO nuclear spacecraft

2006 年至今，美国重点开展经济和技术更加可行的星球表面用核反应堆电源（FSP）研究。FSP 系统规划设计为数十千瓦级，用于月球或火星表面的基地供能。此外，千瓦级电功率的核电源也在同步发展，且随着斯特林技术的突破进展迅速。2017 年底至2018 年初，美国NASA 与国家能源局顺利完成了千瓦级星表基地用空间堆电源系统Kilopower 的地面样机测试，验证了系统设计的合理和可行性，奠定了后续工程应用的坚实一步。Kilopower 核电源系统质量约400 kg，采用钠金属热管冷却堆结合斯特林热电转换技术路线，电功率1～10 kWe，发电效率为24%，期望寿命15 a，通过模块化组合可满足未来月球/火星基地能源需求。

1.3 欧盟发展情况

除了美俄以外，欧洲的法国、德国和意大利等国在过去的数十年里也开展了空间核动力技术探索和概念研究。近年来，欧盟委员会支持了HiPER、DiPoP 和MEGAHIT 3 个空间核电推进项目[12]。其中，DiPoP 计划的功率较低（2011—2013年，20～200 kWe），MEGAHIT 计划的功率较高（2013—2014 年，1 MWe）。

DiPoP 计划是一项欧洲空间电源和推进技术及其应用的研究型项目，重点研究空间核反应堆、公众接受性原则、发射和运行流程等，其应用目标是载人火星任务、行星探索（如木星样本返回任务和海王星轨道勘测任务），以及近地危险天体防御。

MEGAHIT 计划是欧盟和俄罗斯联合项目，旨在为空间核电推进航天器提供电能，该计划中的航天器长度大于30 m，输出电功率为1 MWe，质量大于20 t，运行寿命10 a，计划2030 年之后执行发射任务。MEGAHIT 的任务需求包括近地危险目标（小行星）移除、深空探测、太空拖船和载人火星探测等。

1.4 国际上典型空间核电源特性参数情况

图5 归纳总结了国际上已飞行应用（或完成地面研究试验）的典型空间核裂变反应堆电源与放射性同位素电源系统的特性参数情况[13]，包括热电转换效率与热端温度之间关系，核电源质量比功率与输出电源功率之间关系。

图5 国际上典型核电源系统的效率和比功率特性Fig.5 Efficiency and specific power of typical space nuclear power

由图5 可分析如下：如果依据热电转换效率（Efficiency）选择技术方案，动态循环转换效率从高到低依次为斯特林（Stirling）、布雷顿（Brayton）和朗肯（Rankine），静态方案转换效率依次为热光伏（Thermophotovoltaic）、分段式热电子（Segmented Thermoelectric）、热离子（Thermionics）、热电子（Thermoelectrics，或称为温差/热电偶）。其中，热离子和热光伏方案一般需要较高的热端温度（1 200～1 300 K 以上），对材料提出了较苛刻要求。

如果依据质量比功率（Specific Power）选择方案，对于50～100 kWe 功率以上裂变电源系统（Fission Power Systems），最佳比功率依次为朗肯、布雷顿、热离子；对于1～50 kWe 功率范围裂变电源系统，最佳依次为斯特林、热电子、热离子；对于1 kWe 以下同位素电源系统（Radioisotope Power Systems）小功率，最佳选择依次为热光伏、斯特林、热电子方案。

1.5 发展特点与趋势分析

从国际发展历程来分析，空间堆电源发展主要有几个特点与趋势：

1）空间核电源早期发展的驱动力是解决航天器太阳能电源供给技术不成熟问题，当前发展的驱动力是解决缺少太阳光照和需要大功率用电的使用场景，特别是近地轨道以远的科学探测任务和近地轨道潜在军事应用驱动了技术的发展。

2）当前空间堆核电源目前在小功率（1～10 kWe）和大功率（100 kWe～1 MWe）两个功率档次分别得到国际上的重点关注。前者主要应对238Pu供应缺失问题，针对原来使用衰变能或长寿命深空探测使用场景；后者主要解决轨道运输、星表基地建设、载人火星探测、小行星防御等大功率航天应用需求。

3）尽管受到技术、经济或者政策等因素影响，美俄航天强国空间核动力技术发展历经坎坷，但一直将空间核动力视为航天战略发展方向进行长期投入和探索。数十年来，美俄通过多个研发计划逐步提高单项技术水平，并已积累了较为丰富的工程应用经验。未来，空间核动力技术可突破现有太阳能和化学能的极限，给人类空间探测范围和能力带来突破，是航天强国着力竞争发展的领域。

2 未来空间核动力需求分析

2.1 轨道物质运输

未来我国将建设载人空间站、大型高价值地球同步轨道卫星、在轨维护综合服务站、太阳能电站等大型/超大型空间基础设施，涉及大质量物质轨道间的高效运输问题。传统货运飞船直接向高轨运送货物，需要携带质量占比40%以上的化学推进剂，采用100 kWe～1 MWe 功率量级的核电推进轨道运输器实施运输，可降低成本30%以上，大幅提高了大型空间设施建设和维护效益。

2.2 深空轨道转移

未来月球/火星探测与开发，涉及人员与货物运输、地外资源物质返回等任务，对轨道运输提出了高效与快速的要求。其中，物质运输可采用较长运输时间的100 kWe～1 MWe 功率量级核电推进方案，人员运输可采用较短运输时间的300 MWt 热功率量级的核热推进方案。美国NASA 曾对载人火星探测任务进行了分析，结果表明：在相同的飞行时间和等效速度增量下，化学推进、核热推进、核电推进的有效载荷比分别为17.5%、37.7%、47.6%，采用核推进能够显著提高任务有效载荷比，从而提高任务经济性和效能。

2.3 外太阳系和太阳系边界空间探测

木星以外的太阳系探测任务，特别是太阳系边界，甚至更远深空的探测，已无法采用太阳能，必须采用核电源或核推进。虽然探测器配置功率只需0.3～10 kWe，但是航天器运行时间寿命需要20～40 a。化学推进结合同位素电源，或者核反应堆电源结合电推进方案是目前最佳选择，可满足行星际探测任务对速度增量及仪器设备功率的需求。

2.4 空间通信与数据处理平台供能

空间核动力航天器具有较大的电功率，部署于地球同步轨道的核动力平台可以作为全球空间通信系统和天基数据处理系统，采用50～100 kWe 量级功率可助力独立的全球空间信息基础设施建设。空间通信系统可以用于移动通信数据交换、全球高速宽带数据交换、数字无线广播与中继等多领域，可服务国民经济，产生显著的经济和社会效益。

2.5 星表基地建设与资源开发

在地球以外的星体建立科考基地并进行资源开发利用是未来探索空间、发展太空经济的重要方向。受昼夜交替、距离过远、沙尘暴等影响，太阳能的利用将会受到限制。核反应堆电源可实现不依赖太阳光供给能量，环境适应能力强，可为月球、火星等基地建设与地外空间资源开发利用，提供理想的能源，所需电功率在10～100 kWe 量级。

2.6 空间碎片与垃圾清理

空间垃圾和碎片可造成航天器结构损坏、关键部件失效等，导致其不能正常完成航天任务。尤其在GEO 轨道上，有数百个包括不工作的废弃航天器在内的空间垃圾，严重侵占着地球同步轨道资源，使得GEO 轨位及其频率资源几乎耗尽。鉴于GEO轨位资源的稀缺性，清理一个GEO 废弃航天器可带来数千万美元的经济效益。使用100 kWe～1 MWe功率量级核动力航天器可在高轨附近持续作业，作为太空拖船实施垃圾清除任务，每年可清除数十个不同尺度垃圾，大幅降低航天器在轨运行风险，并净化空间运行环境。

2.7 小行星等危险天体防御

小行星防御的措施有多种，其中的重力牵引机概念基于万有引力原理，通过利用自身质量对小行星产生影响，使其改变运行轨迹。核动力航天器作为重力牵引机，通过提前与小行星接近并伴飞可用于改变小行星既定轨迹。初步分析表明：对于直径300 m 左右、质量1 t 量级的小行星，质量20 t 的1 MWe 功率量级核动力航天器与小行星间隔300 m距离，保持40 d 左右，利用飞行器的重力作用改变小行星轨道，可使小行星与地球的最近距离增加到100 万km 以上，从而降低其与地球相撞的风险。

3 空间堆电源技术体制选择分析

空间堆电源要实现应用，必须满足在空间环境下特定任务的使用要求。通常意义上，空间堆电源应采用热电转换效率高、质量比功率小、可长寿命工作、少（或无）运动部件、系统安全性好、可靠性高、无需维护的系统方案。这里依据“性能优异、系统可靠、使用方便、经济可行”4 大类准则，对空间堆电源的技术体制进行选择。4 大类准则可进一步分解为一系列技术要求和技术指标的集合见表1。尽管技术体制选择时，很难满足所有的准则、要求和指标，但应在设计初期进行折衷优选。空间堆电源技术体制具体由核反应堆、反应堆冷却、热电转换方式、排散热方式的技术体制决定，如图6 所示。

表1 空间堆电源技术体制选择依据——准则、要求和指标集Tab.1 Selection basis of space nuclear power—principle，requirement and index

3.1 热电转换和反应堆冷却技术体制选择

将功率范围、热电转换效率、质量比功率、使用特性分析、技术可实现性作为选择总体技术体制的主导因素，结合前面对图5 分析，大功率空间堆电源系统总体方案的最佳选择为动态“布雷顿循环”体制，小功率空间堆电源系统的最佳选择为“分段热电子”体制。具体分析见表2。

3.2 核反应堆技术体制

反应堆能谱：空间堆应该最大限度减轻质量与体积，并在无维护（无燃料更换）条件下实现长工作寿命要求。热中子堆虽然所需235U 少，但燃料利用率不高，只适用于低功率的空间任务，堆芯还需要中子慢化剂，增加了质量。快中子谱需235U 多，但适用于长寿期、高功率空间任务，其结构紧凑，简化了反应堆物理设计，缺点是中子通量更高，使得堆内部组件受到更强的中子辐照，对材料适用性、屏蔽防护提出了更高要求。这里大功率方案则主选95%以上富集度235U 的快堆，而小功率方案可选快堆，也可选热堆。

图6 空间堆电源技术体制分类Fig.6 Classification of space nuclear reactor power

表2 空间堆电源热电转换技术体制选择过程Tab.2 Selection of energy conversion for space nuclear reactor power

核燃料组件：目前国内外主要可选的燃料组件有二元陶瓷燃料UO2、UC（UC2）、UN 和多元复杂“碳氮-高温金属-铀化物”UxZr1¯xC1¯yNy，铀合金U10Mo、UZr、UZrH 和金属陶瓷Cermet 燃料。燃料组件选择主要考虑其物理特性，高温和辐照条件下，燃料的肿胀和裂变气体释放，对结构和热电转换的影响，以及燃料热稳定性和寿命期工作稳定性。经过综合比较，二元陶瓷燃料中UN 具有较高燃料密度、较高熔点、适度热导率、较小辐照肿胀和较低裂变气体释放量等优点[1]，是大功率方案的优选燃料，其缺点是国内外积累的考核数据较少，替代方案是采用成熟的UO2见表3。对于小功率方案，可选择技术相对成熟的铀钼合金U10Mo燃料。

表3 核燃料组件主要物理特性Tab.3 Physical property of nuclear fuel

3.3 材料技术体制

核反应堆功能材料：中子反射材料可采用具有充分数据支撑的Be 和BeO；中子吸收材料可采用的B4C。屏蔽材料需要分别针对高能中子和伽玛射线进行屏蔽，经过阴影屏蔽层后，实现中子剂量小于1011～1012n/cm2和伽玛射线剂量小于25 K～1 M Rad-Si[11]。中子屏蔽可采用轻元素材料LiH和含B4C 复合材料，伽玛射线屏蔽采用重元素贫铀（238U）和W、Ta 等材料。

核反应堆结构材料：燃料组件包壳需要采用高温耐辐射结构材料，目前针对2 000 K 左右温区可选的材料包括MoNbZr、Nb1Zr、Mo-Re 合金；反应堆结构壳体和载热介质输出管道，可采用ODS 钢和其他高温镍基合金。这些材料依据使用温区和辐照环境，均应得到相应辐照试验的验证。

热电转换核心材料：布雷顿循环核心材料是涡轮叶片材料，需采用耐高温、抗蠕变合金材料或复合材料，需要根据工作寿命、涡轮设计方案和叶片材料水平合理选择叶片工作温度（1 200～1 300 K）。目前，国内可选材料为航天发动机镍基单晶高温合金DD6、DD9等，以及碳化硅陶瓷材料，陶瓷材料需解决成型与处理困难问题。所有这些涡轮材料需要工作环境下，考核其环境和寿命适应性。分段热电子核心材料是温差发电材料，传统方案采用Si-Ge 材料，其效率较低（效率低于6%左右），先进材料方案是基于方钴矿，以材料CoSb3、La3¯xTe4、CeFe4¯xRuSb12、YbMnSb11组 合，热电转换效率为10%～15%[13]，如图7所示。

3.4 排散热技术体制

大功率布雷顿方案：空间排散热只能通过热辐射形式，排散热采用第二回路实现散热，核心指标是散热温区选择，温度高、辐射散热器面积和质量可减少，反之则散热器面积和质量增加。可选的排散热方案包括“泵驱流体回路+热管+辐射板”和“泵驱流体回路+液滴冷却”。前者流体可选择去离子水，管道可选择钛合金，辐射散热板可选择C¯C 复合材料或基于石墨烯的高导热、高辐射系数材料；后者流体可选择高表面张力和辐射特性的硅油，管道同样可选钛合金，需要研发液滴雾化器和收集器[3]。

图7 分段式热电子典型方案Fig.7 Illustration of segmented thermoelectric scheme

小功率热电子方案：小功率分段热电子方案，将热量从反应堆中载出，可采用碱金属（Li、Na、K）高温热管，各种碱金属特性见表4[1]。每根热管各自成为一个独立的热传导回路，优点是结构简单、避免单点故障，无电磁泵具有非能动安全性，有助于停堆后的余热排出，且无需专门解冻，密封要求较低，但是受传热效率的限制，只适用低功率堆型（＜10 kWe）、需要研制长工作寿命的高温热管。对于更小功率堆型（＜1 kWe），甚至可以采用高温、轻质、高导热材料，直接通过导热方式载出热量，散热低温段，可通过低温热管连接散热器，实现辐射散热，缺点是质量较大，或者采用热光伏方案[13-14]。

4 关键技术分析

空间核动力航天器系统深度融合了航天与核能两大领域，显著区别于传统航天器，系统设计涉及核物理、辐射安全、力学、热学、电磁学、信息、控制、材料等学科，需突破多方面关键技术，以逐步实现新型复杂航天器系统的工程应用，涉及的关键技术如下。

4.1 小型安全可靠空间核反应堆技术

空间核反应堆系统应尽可能小型化和轻量化，以满足航天任务对尺寸和质量的约束。为保证航天器长期稳定的能源供给，反应堆系统还应具有极佳的安全特性和自主运行能力（包括一定程度的容错与自修复能力），堆芯的合理设计涉及中子物理、热工水力、安全防护的仿真与验证。此外，还包括核燃料组件、反射层/吸收层/屏蔽层材料、包壳、结构材料在内的制备与高温抗辐照验证等也是需要攻关的关键技术。

4.2 高效紧凑热电转换技术

采用闭式高温气冷布雷顿热电转换的大功率核电源系统，涉及的关键技术有长寿命气浮轴承、高温涡轮抗蠕变材料与验证、力矩补偿与减震设计、密封技术、高速发电机技术、高效率压气机、高效传热回热器等。采用分段式热电子转换的小功率核电源系统，涉及的关键技术有高效半导体热电转换材料、结构设计、材料抗辐照验证等。

4.3 高效轻质空间辐射散热技术

排散热分系统是核动力航天器尺寸最大的部件，其基本单元是由流体回路、驱动泵、热管、散热面板等组成。关键技术涉及轻质热管、高辐射性复合材料面板、流体回路可折叠柔性管路、长寿命驱动泵和紧凑型冷却换热器等，前沿先进技术涉及液滴式散热技术。

4.4 长距离大承载伸展机构技术

核动力航天器发射时处于收拢状态，在轨运行时需通过伸展机构展开，将反应堆与航天器载荷隔开至一定的安全距离，降低辐射影响，同时支撑散热器面板展开工作。伸展机构既要保证足够的展开距离，又要保证可靠的结构刚性连接和管路、电气的连接，同时符合航天器控制要求。系统主要涉及的关键技术包括大型高可靠性伸展机构展开技术、可靠锁定与刚性保持技术、管路与电气可靠性连接密封技术等。

4.5 大功率电源管理与长距离传输技术

电源调节与管理系统需要对电能进行集中管理，将电能从热电转换系统长距离传输并分配给电推进系统、仪器设备及其他有效载荷。对于大功率核动力航天器，由于热电转换装置输出的是高压、高频特性的交流电，电源管理系统需将交流电转换为高品质的直流母线输出并为负载供电，并需考虑起动/变工况/关机一系列过程的控制问题，涉及的关键技术包括超高压大变比宽输出功率变换、高效高压大功率交/直流变换、交流发电机变频调压、升降功率调节策略、超大功率低损耗传输等。

表4 3 种碱金属热物理性质Tab.4 Physical property of three alkali metals

4.6 哑铃型大挠性航天器姿态控制技术

核动力航天器整体尺寸和质量大，且质量主要集中于航天器两端，呈“哑铃”形构型，具有大跨度、大挠性的特点。航天任务中由姿态机动、环境力矩和对接冲击等引起的振动很难消除，且容易与姿态控制形成耦合。对于该类大跨度大挠性航天器，振动抑制和姿态控制是一项关键技术。

4.7 大功率高效电推进技术

长周期的空间任务特点要求电推进系统性能稳定可靠，且具有较高的功率、推力和较小的尺寸、质量。对于未来大功率电推进系统，需要研究的关键技术包括高可靠设计技术、高比冲推力器技术、磁路位型优化技术、大功率推力器热设计技术、特高压大功率电源处理单元技术、大功率推力器长寿命设计与地面验证技术等。

5 结论

1）航天推进与能源动力技术采用传统的化学能、太阳能已达到极限能力水平，基于空间核反应堆的核动力是突破这种发展极限的最有潜力和价值的能源形式，其发展需要航天与核能两大领域的大力协同。建议我国空间核动力技术发展遵循3 个先后关系，“先小功率、后大功率”“先电源、后推进”“先核电推进、后核热推进”。

2）基于空间核反应堆电源可为航天器载荷和电推进系统提供充足电能，适用于难以获取太阳能或对电功率需求较大的空间任务。若空间堆核电源输出功率为100 kWe～1 MWe 范围，并统一技术体制，建议发展“高温气冷快堆闭式布雷顿循环”技术体制；若功率为1～10 kWe 范围，同时实现25 a 以上长寿命工作需求，建议发展分段热电子（高效温差热电偶）技术体制，或者先进的热光伏技术体制。

3）基于核能的小推力（牛顿量级）高性能（比冲5 000～10 000 s）电推进技术和高性能核热推进技术（比冲1 000 s 量级）是未来推进领域需要发展的关键技术。

4）空间核动力技术涉及多方面的研究难点和关键技术，具有研究难度大、研发周期长、资金投入大的特点，需在国家顶层牵引下，联合国内航天与核工业优势单位，循序渐进开展方案论证、技术攻关、地面试验和飞行验证，逐步提高空间核能应用技术成熟度，为未来航天任务提供有力支撑。