什麼是“空間核動力”？

核能，其發現和利用是人類20世紀最偉大科技成果之一，被認為是解決能源問題的終極答案。

航天，上世紀50年代以來突飛猛進，助力人類走出“搖籃”，探索浩瀚蒼穹。

航天火箭發射

作為人類科學技術領域兩顆耀眼的明珠，核能與航天技術深刻影響了人們的生活以及認知世界的方式。核能為人類提供了一種新的能量密度更高的動力來源，有望解決人類生存所需的能源問題；航天技術的發展則使得人類得以站在“上帝視角”俯瞰我們生活的蔚藍星球，并将人類的“足迹”拓展到太陽系之外，以及尋找新的宜居星球。

核電站為全球提供了10%的電力供應

你是否想過，這兩個看似不相關的領域已經有所交集，并碰撞出了人類科技新的火花！

無論是環繞地球的衛星、地外星球表面的探測器和漫遊車還是遊弋在宇宙中的深空探測器，動力能源問題是這些航天器所要首先解決的問題之一。核能，為航天器提供了除太陽能、化學能之外一種新的能源選擇。在一些深空探測任務中，核能甚至是唯一的選擇！

在航天領域應用核能作為能源的技術便是空間核動力！

按照能量來源劃分，核能可以分為衰變能、裂變能和聚變能，其中前兩種已經實現工程應用，人類目前正努力攻克可控核聚變的一系列問題。同樣，人類已經可控的其中兩種核能也已多次應用在航天活動中。

衰變，原子核自發地放射出α、β、γ等帶有能量的粒子而發生的轉變。衰變能即利用了原子核的放射性。

裂變，一個原子核裂變成為兩個或多個較輕質量原子核的現象，并伴随着能量的産生。

原子核衰變或裂變會将核能轉變為熱能，人們對核能的利用其實都是轉變為對熱能的利用。

核能在航天領域的應用形式可以劃分為3種形式：熱源、電源、推進動力。

核能轉變為熱能後，可以直接用來為航天任務供熱或保溫。比如在航天器中廣泛使用的放射性同位素熱源（Radioisotope Heater Unit，RHU），其利用钚-238（Pu-238）、钋-210（Po-210）等放射性元素的衰變産生的熱量為一些工作在低溫環境中的航天器保溫，例如工作在月球表面或者火星表面的探測器。

Pu-238自發衰變産生熱量使自身變紅

2013年12月，中國首個采用空間核動力裝置的航天器-嫦娥3号成功發射，并實現了中國首次月球軟着陸。其中，着陸器和巡視器供攜帶了5個不同功率的采用Pu-238的RHUs，包括3個120Wt，1個4Wt和1個8Wt。

玉兔号月球車與嫦娥3号着陸器

美國在在空間任務中使用RHU的經驗較為豐富。人類首個火星車“旅居者号”(Sojourner Rover），1997年7月4日着陸火星)便采用3個RHUs來為自身保溫。

“旅居者号”極其所采用的RHU

随後，美國在“勇氣号”（Spirit）和“機遇号”（Oportunity）火星車任務中均采用8個RHUs為其保溫。這兩個姊妹火星車均在2004年着陸火星，其中，“機遇号”在火星工作超過15年，“勇氣号”也工作超過6年。這些RHUs也均采用Pu-238作為放射源。

“勇氣号”（“機遇号”）火星車在火星行駛效果圖|NASA

目前，核能在空間中的應用主要便是為航天器提供電源，包括放射性同位素電源和空間核裂變反應堆電源。

放射性同位素電源的典型便是我們通常所說的“核電池”（Radioisotope Thermalelectric Generator，RTG），其利用元素自發衰變放出的熱能，通過溫差電轉換器轉換為電能。美國在RTG方便的技術最為成熟，應用經驗最多。世界上首個使用RTG作為電源的航天器是美國于1961年發射的導航衛星-子午儀4A（Transit 4A），其攜帶了一個電功率為2.7We的SNAP-3B放射性同位素電池作為唯一的電源。

子午儀-4A發射60周年宣傳海報|NASA

在著名的“阿波羅”登月任務中，阿波羅12、13、14、15、16、17等5次任務均攜帶了核電池，除阿波羅13号任務提前返航外，其餘5次任務均成功在月面部署了RTG，為一些月表探測設備提供電能。

阿波羅14号航天員在月面部署RTG|NASA

此後美國在先驅者10/11号行星探測器（Pioneer 10/11 planetary probe）、旅行者1/2号（Voyager 1/2）、伽利略号（Galileo）、尤利西斯太陽探測器（Ulysses）、卡西尼-惠更斯号（Cassini-Huygens)、新地平線号（新視野号）（New Horizons）等深空探測器中均使用“核電池”作為能量來源。其中1977年發射的旅行者1号已經飛出太陽系，并且還能向地球傳回微弱的信号！

美國一些采用RTG供能的深空探測器|NASA

鑒于“核電池”的長壽命以及穩定性，美國也将其應用在了火星探測領域。1975年8月20日和9月9日，美國先後向火星發射了海盜1号着陸器（Viking 1 Lander）和海盜2号着陸器（Viking 1 Lander）。兩個着陸器分别用兩個SNAP-19 RTG核電池作為能量來源。其中，海盜一号工作超過6年，海盜2号工作也超過4年。

“海盜1号”（“海盜2号”）示意圖

2012年8月6日13:30，美國的“好奇号”（Curiosity）火星漫遊車成功登陸火星，這是世界上首個采用RTG供能的火星車！目前，好奇号仍在繼續探索火星！2021年2月19日,基于“好奇号”的結構改進的更為強大的火星車“毅力号”(Perseverance)成功着陸火星。 “好奇号”和“毅力号”所使用的是多任務放射性同位素熱電發生器（ Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG）。

美國“毅力”号火星車

毅力号所采用的“核電池”

我國在2018年發射的嫦娥四号任務中也首次應用了基于Pu-238的RTG。嫦娥四号攜帶了一個5We的 RTG，此外，其也攜帶了2個120kWt、1個4Wt和1個8Wt的RHU。

RTG的優點在于其壽命長，可靠性高。但其電功率較小，一般在百瓦級。相比之下，空間核反應堆電源則可以實現更高功率的電源輸出。

空間核反應堆電源采用反應堆内核燃料裂變反應放出的熱量，将其轉化為電能來為航天器供能。1965年，美國發射了世界上首個空間核反應堆電源SNAP-10A，其輸出電功率達到500W，但因航天器電氣設備故障，在軌運行42天後便永久關閉。此後，美國再未發射空間核反應堆電源。

美國SNAP-10A空間堆

前蘇聯則在1970年到1988年間發射了34座采用空間堆電源供能的近地軌道航天器，最高電功率輸出達到5.6kWe，最長工作壽命達到342天。1988年以後，因為安全等方面的問題，蘇聯也再未進行過空間堆電源的在軌應用。

前蘇聯“BUK”空間堆，共發射32座

前蘇聯“TOPAZ-Ⅰ”空間堆，共發射2座

空間核電源作為一種自主能源，其不依賴光照，電功率輸出穩定，相對于大面積的太陽能帆闆來說結構更為緊湊，并且空間堆可以實現從千瓦級到百千瓦級甚至兆瓦級的功率輸出，因此在深空探測任務、大功率航天器、月球或火星基地建設等領域，空間核電源将是最理想的甚至是唯一的選擇！

從推進動力來看，我們仍然無法逃出物理規律的限制，那就是動量守恒定律。要讓航天器獲得加速度，就必須有物質向相反的方向運動，也就是航天器通常會攜帶的推進劑。同等質量的推進劑噴出的速度越快，航天器能夠獲得的前進的動力也就越大。目前，空間推進動力包括燃燒推進以及電推進。

燃燒推進是最傳統也是最廣泛的推進方式，即讓推進劑燃燒（如液氫、煤油）産生高溫高壓的環境，然後噴射而出。優點：推力大，且應用十分成熟。缺點：工作時間短，燃燒時的高溫高壓對材料性能要求很高，目前還很難讓其進行小時量級的連續工作；比沖（可以認為是耗費單位質量的推進劑獲得的動力）較小；需要同時攜帶燃料和推進劑兩種工質。

長征七号一級YF-100液氧煤油火箭發動機|翼下地球

已經得到應用的新一種推進方式便是電推進，這種方法是讓帶電離子在電場作用下加速，從噴射口高速噴出。優點：比沖大；隻需攜帶一種工質。缺點：這種方式産生的推力較小，主要對航天器的姿态和軌道進行微調。

某型電推進器

核能作為推進動力的潛力主要是在核熱發動機領域。20世紀50年代，美蘇先後進行了有關核熱推進的研究，其基本原理是利用核反應堆産生的高溫加熱推進劑，使其體積迅速膨脹，并高速噴射，以此産生動力。美國地面試驗表明，這種方式可以獲得比燃燒推進更高的效率。優點：核熱推進隻需攜帶一種推進劑，不像燃燒推進需要同時攜帶燃料和氧化劑；比重較高，更節省推進劑。缺點：核反應堆會産生放射性，對環境、材料等很不友好。

美國NERVA核熱推進火箭發動機（樣機）

前蘇聯RD-0410核熱火箭發動機（樣機）

理論計算表明，使用核熱推進方式進行載人火星探測任務将比使用常規燃燒推進方式所需發射質量更小，且耗資更少。因此，美俄均在進行相關技術攻關。但是，因為核安全以及材料等方面問題，核熱推進技術一直未能進行實際空間應用，仍停留在地面研究階段。

目前，世界各國正在努力重返月球，并在月球建設永久基地下，需要穩定供電的電源設施；極地軌道定向能武器的研發及應用需要大功率電源作為基礎；深空探測任務依靠長壽命的核電池才得以實現。空間核動力技術将是未來人類航天在多個領域得以取得進展或者突破的動力基礎，是亟需大力發展的戰略性技術！

采用空間核反應堆供電的航天器示意圖

核能 航天，目标星辰大海！

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