戍天九思：重启太空军备竞争：60年后美再研太空核动力火箭

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　　美国《大众机械》月刊网站11月27日报道，洛克希德·马丁公司已经在为美国国防部高级研究计划局的“敏捷型地月空间行动演示火箭”项目，设计用于地月转移核热推进引擎。

　　这是美国60年后重启太空核动力火箭研发，也是美国2018年成立太空军后重启太空军备竞争！

　　太空核动力火箭的四大门槛

　　目前，太空核动力火箭主要技术路线是：由第四代微型核反应堆产生热能，再由大功率斯特林发电机将热能转化为电能，最后由大功率霍尔效应推进器转化为推力。但是，由于受当前技术条件的限制，太空核动力火箭推力很小——在10牛以下，只有用于太空飞行。

　　因此，太空核动力火箭有四大门槛：第四代微型核反应堆技术、大功率斯特林发电机技术、大功率霍尔效应推进器技术和斯特林热电转换太空试验。

　　第四代微型核反应堆技术。这是难度最大的门坎，主要解决核电安全性、微型化两大难题。安全性关键要解决核反应堆紧急停堆困难、水冷堆高温高压容易损坏爆炸的问题，否则，核反应堆就像小型核弹，容易发生爆炸。微型化，就是要足够轻、能够飞起来。目前，由于美国和俄罗斯有过去太空军备竞争的技术基础，解决核电微型化问题有经验。中国第四代小型核电技术全球领先，解决安全性问题比较好。

　　大功率斯特林发电机技术。这也是一个世界级难题。目前，国际市场上功率最大的还是瑞典75千瓦斯特林MK.2发电机。中国因为要发展AIP潜艇一直在下大力攻关。2021年12月，中船集团711所成功研制出国内首台大缸径斯特林发电机基础样机，额定功率达320千瓦，热功转换效率达40%，是目前国际上已知斯特林发动机的最高水平。中国一台320千瓦斯特林发电机就比日本“苍龙”级AIP潜艇用的4台瑞典75千瓦斯特林MK.2发电机功率还要大。目前，中国正在攻关兆瓦级斯特林发电机。

　　大功率霍尔效应推进器技术。太空是真空，任何动力装置只能像火箭喷火那样工作，只有两种发动机可用：普通火箭发动机和类似火箭的霍尔效应推进器。但是，前者太费燃料且效率低下；后者效率是前者的10倍，但是推力太小。目前，推力最大的霍尔效应推进器是美国的X-3，功率为104千瓦，推力为5.4牛。其次是中国的HET-450，功率为105千瓦，推力为4.6牛。俄罗斯的大功率霍尔推进器SPT-290，功率为30千瓦，最大推力达到1.5牛。

　　斯特林热电转换太空试验。我国已于今年3月完成空间高效自由活塞斯特林热电转换在轨试验验证。

　　美国启动核动力地月火箭演示项目

　　美国1955年就启动了SNAP-10A太空核动力火箭项目。十年后，即1965年4月4日成功发射，上天后反应堆开始工作，但是，仅仅运行了42天，就因运载器电气故障永久关闭。

　　▲SNAP-10A整体高度3.4米，最大直径1.5米，系统总重约450公斤，可产生约500W的电功率，热功率约为40kW，设计寿命为1年，热电转换效率仅1.6%，98%以上的余热被排出，以保证系统不过热。

　　在整个研发过程中，SNAP-10A核动力火箭共建造了9台非核的，后又改装了5台带核的，用于各种各样的地面试验和备份。

　　后来，美国SNAP-10A项目下马原因主要是：技术不成熟，安全风险太大，热电转化效率低，而且还特别烧钱。

　　从这次报道看，美国新型核动力地月火箭计划最早在2027年测试。该火箭由三部分组成：小型核裂变反应堆、斯特林发电机、霍尔效应推进器。

　　其中，斯特林发电机产生6千瓦至20千瓦电力，霍尔效应推进器使用的是洛克希德-马丁公司的LM2100卫星上的同款，实际推力只有0.168牛—0.294牛。

　　按斯特林发电机效率40%推算，该小型核裂变反应堆功率为15千瓦—50千瓦，估计可能采用功率75千瓦的瑞典斯特林MK.2发电机。

　　小型核裂变反应堆可能借鉴SNAP-10A的技术，其功率也相当。

　　从这些报道参数看，这种太空核动力火箭还是技术验证性的小型号，功率小、推力小，实用价值并不大。成功后，后续还需研发更大功率的太空核动力火箭。

　　俄罗斯“海燕”核动力巡航导弹

　　据俄新社今年10月6日报道，俄总统普京5日在“瓦尔代”国际辩论俱乐部第二十届年会上发表讲话称：“我们现在几乎完成了我几年前宣布的现代战略武器研发工作。‘海燕’是一款带有核动力装置的全球远程巡航导弹，最近成功进行了一次试验。同时，我们实际上已经完成‘萨尔马特’超重型导弹的试验工作，将于近期投入作战值班。我们目前只需要简单地完成某些行政程序，就能开始大规模生产，并将其投入战斗值班，我们将很快做到这一点。”

　　▲图为“海燕”核动力巡航导弹

　　从俄罗斯公布的照片来看，“海燕”导弹采用四棱尖拱形弹头+矩形截面弹体+大展弦比上单翼，这种气动布局有助于提升导弹射程，由此判断“海燕”是一种亚声速导弹。

　　▲图为俄方此前公布的“海燕”核动力巡航导弹试射画面

　　▲图为“海燕”核动力巡航导弹的组装厂房

　　“海燕”导弹由助推级和核动力巡航级组成。据俄罗斯NTV电视台今年10月6日报道，“海燕”2001年开始研制，长度约为9米，导弹使用固体燃料发动机发射升空，然后微型核反应堆开始工作。

　　理论上，核动力喷气式发动机，可分为开放式循环和封闭式循环两种。

　　开放式循环由“前段压气机+中段核反应堆+后段涡轮机”组成，核反应堆相当于涡轮喷气式发动机燃烧室。好处是结构简单，坏处是从尾部喷射出的高热空气带有核辐射。

　　▲“海燕”核动力巡航导弹概念图

　　封闭式循环则封闭核反应堆，使用循环的冷却剂—换热器结构作为燃烧室段，也就是说被压气机压缩的空气不直接流过核反应堆堆芯，降低了核污染危险。但是，结构比较复杂，流体泵设计要求高，一旦冷却剂循环出现问题则可能爆炸。

　　综合外媒报道，“海燕”导弹研制并不顺利，先后进行过13次试验，多次发生导弹坠毁事故，甚至还有亡人事故。笔者由此推断，“海燕”导弹的核动力喷气式发动机可能是封闭式的，毕竟开放式循环的核污染太可怕。

　　当然，这种“海燕”导弹的核动力喷气式发动机不能作为太空核动力发动机，因为太空没有空气，但其实现了核动力微型化，有望发展成为太空核动力火箭。

　　中国成功研发全球最安全的核电宝

　　2023年6月，中国在甘肃武威建设的2兆瓦钍基熔盐实验堆获得运行许可证，这是全球唯一成功实现钍基核燃料运行的钍基熔盐实验堆，标志着中国第四代小型核电技术全球领先！

　　该钍基熔盐堆，俗称核电宝，突出优点是结构简单、安全性好、成本低。

　　该反应堆运行需要持续用中子轰击钍燃料，将钍232转化为铀233，再由铀233产生裂变反应，一旦停止用中子轰击钍燃料，核反应就会停止，可控性好。

　　该反应堆用氟化盐作为载热工质，常温下为固体，沸点高达1000℃，无需加压，可常压工作，结构简单，容易小型化，还可避免水冷堆高温高压容易损坏爆炸。

　　该反应堆底部有冻结塞，堆芯超过预设温度就会溶解，放射性熔盐就会从洞孔全部流入应急储存罐，核反应也会自动停止运行，熔盐逐渐冷却变成固体，不会扩散。

　　目前，中国核能利用走的是民用先行、军民融合的发展路子。从核电功率看，中国正在发展的两种小型核电站都是军民两用的。

　　武威的钍基熔盐实验堆功率2兆瓦，是美国“俄亥俄级”核潜艇用的S8G反应堆功率4.41兆瓦（6万马力）的近一半，非常适合用作太空核动力火箭。该实验堆获运行许可证，说明核电宝技术已经成熟，而且容易小型化，估计很快将转化为太空核动力。

　　中国正在海南昌江建设的“玲龙一号”核电站功率为125兆瓦，远大福特级航母23.52兆瓦（32万马力）的核动力，有非常大的功率冗余，适合中国发展“激光武器+电磁弹射”的核动力航母。不难预见：“玲龙一号”成功并网发电之时，就是中国核动力航母装堆之时。

　　中国可能在大国太空核动力火箭竞赛中胜出

　　当前，太空核动力火箭主要玩家只有中美俄三家。

　　在俄乌冲突的背景下，俄罗斯一切工作的重点是眼前要能镇慑住美国和北约。对长远的太空核动力研发可能暂时顾不过来，同时也没钱。从俄罗斯宣布成功研制“海燕”核导弹和“波塞冬”核鱼雷的情况看，俄罗斯已经实现了核动力微型化和安全性，下一步技术上可能卡在大功率斯特林发动机上。

　　美国技术上主要卡在微型核动力安全和大功率斯特林发动机技术上，也没有进行过太空斯特林热电转换试验。即使这次太空核动力火箭验证项目成功了，后续还需研发更大功率的太空核动力火箭。

　　中国已系统突破太空核动力的四大门槛，目前主要卡在核反应堆微型化上，估计有了2兆瓦钍基熔盐实验堆的成功经验，中国可能一步到位研发实用的大功率太空核动力火箭，因为中国成功解决了最难的核动力安全问题。

　　笔者估计，中国实用的太空核动力火箭可能会走在美国和俄罗斯的前面。