核動力航天器泛指一切使用核能的航天器。核能的産生包括衰變、裂變和聚變3種方式，核能的空間利用包括熱源、電源和推進3種形式。迄今為止人類共發射了73顆核動力航天器，其中美國32顆，前蘇聯40顆、中國1顆；而其中同位素航天器有38顆，核反應堆（核裂變）航天器有35顆。

空間技術和核技術是20世紀最吸引眼球的兩大技術，而核動力航天器則是這兩大技術的完美結合。由于核動力航天器自身具有的戰略意義，其發展一直都受到航天大國的密切關注。為此，我們對60多年來核動力航天器的發展曆程進行了系統的梳理和分析。

一、初創時期

從核動力航天器萌芽至初步成熟時期，我們稱為初創時期，時間跨度約從20世紀50年代初持續至80年代初。

核動力航天器發源于美國，并在美蘇太空競賽背景下獲得了發展的原動力。在強烈的戰略需求推動下，美國和前蘇聯政府都大力支持核動力航天器的發展，并推動其逐步走向成熟。初創時期隻有美國和前蘇聯進行了核動力航天器的工程研制。美國的核動力航天器以同位素航天器為主，且應用領域分布較為廣泛，包括導航、通信、氣象和試驗衛星以及深空探測器等；而前蘇聯則以核反應堆航天器為主，且絕大部分都應用于軍事海洋監視。

1．美國

在發展初期，美國空間核電源可以與空間太陽能技術媲美。但是，随着太陽能技術的成熟且核安全逐漸引起人們的重視，美國的核動力航天器從近地軌道應用逐步轉向深空探測應用。而核安全問題則最終将其發展推入停滞期。

二戰後，美國軍方一直在尋找可為偵察衛星提供足夠能源的設備，蘭德公司多次推薦使用空間核電裝置。20世紀50年代初，美國空軍（AF）和美國原子能委員會（AEC）都支持了空間核電源的研究。1955年，空軍-原子能委員會（AFAEC）聯合工作組成立，随後美國的空間核電源項目整合并更名為“空間核輔助電源”（SNAP）計劃。1955年，美國啟動核火箭研發計劃，最初名稱為“核發動機運載火箭應用”（ROVER），後來改為NERVA。核電推進研究也在開展，“用于核輔助電源軌道測試項目的空間系統簡化研制計劃”（SNAPSHOT）衛星搭載了用核反應堆供電的離子發動機。1957年前蘇聯發射第一顆人造衛星後，為了在太空競賽中取勝，美國于1958年組建了美國航空航天局（NASA）。1960年，AEC-NASA聯合項目辦公室成立并接管幾乎所有的空間核技術研究項目。

SNAP計劃将美國的核動力航天器的發展推入快車道。SNAP計劃同時支持同位素電源（RTG）和核反應堆電源。相比之下，RTG技術較為成熟，且可以滿足部分空間應用需求。而且，由于當時蓄電池的一系列問題導緻空間太陽能發電系統難以有效應用，所以美國較早地發展了同位素航天器。

1961年6月29日，世界上第一顆核動力航天器“子午儀”4A軍用導航衛星發射并成功在軌運行。衛星使用RTG為晶振提供穩定的電源，電功率為2.6瓦。随後多顆“子午儀”衛星相繼使用RTG。

1965年4月3日，由空軍支持、用于驗證空間核反應堆電源的SNAPSHOT衛星發射。SNAPSHOT是世界上第一顆也是美國唯一一顆在軌使用核反應堆的航天器。SNAPSHOT衛星的電源全部來自SNAP-10A。SNAP-10A設計壽命1年，功率500瓦。衛星還搭載了一台離子發動機，在軌運行約1小時。運行43天後，SNAP-10A由于衛星電氣系統的高壓故障序列錯誤執行而被停堆并随即終止運行。

1969～1972年間發射的阿波羅12～17号飛船上均使用了RTG，用于為月球表面試驗包ALSEP提供約50瓦的功率。ALSEP在月面由航天員展開，航天員需在表面布置好ALSEP後将燃料棒插入發電機中。1977年9月30日統一關閉了所有的ALSEP。阿波羅11号則在其早期阿波羅科學試驗包EASAP中使用了2個同位素熱源（RHU），初期熱功率約為15瓦。阿波羅計劃使得美國同位素航天器技術逐步趨于成熟，并為人們普遍接受。

阿波羅任務成功後，美國在太空競賽中取得勝利，其重點開始轉向國内民族和經濟問題，空間項目受到了很大的影響。SNAP計劃和NERVA計劃均在1973年被美國政府終止，NASA所提出的載人行星際探測任務被取消，太陽系大旅行計劃也大大縮水。被保留下來的無人行星際探測任務廣泛地使用了RTG。美國空軍則于1976年在“林肯實驗衛星”（LES）8/9通信衛星上最後一次使用了核能。

1978年1月，俄羅斯核動力衛星在加拿大墜毀後，卡特總統宣布美國不會在太空中飛行此類裝置。1979年，三裡島核電站燃料洩漏事件爆發，美國民衆對所有形式核能的風險都表示擔憂。美國核動力航天器的發展從此進入較長時間的停滞期，在“星球大戰”計劃提出前，美國再也沒有研制過核動力航天器。

圖1 “子午儀”4A（左）和SNAPSHOT（中）衛星示意圖，阿波羅12号航天員正在取出燃料棒（右）

2.前蘇聯

前蘇聯的空間核動力技術起步較美國晚，但是發展較為迅速。由于國内政治、經濟相對穩定，這一時期前蘇聯核動力航天器的發展卓有成效，在核反應堆航天器方面積累了豐富的經驗。

前蘇聯也較早地進行了RTG和熱源的研制，且在軌均有應用。1965年9月，前蘇聯“獵戶座”（Orion）1和2軍事導航衛星首次使用RTG，其輸出功率約為20瓦。同位素熱源則在“月球車”1和2上用來為儀器艙加溫，熱源的熱功率是900瓦。20世紀70年代中期，前蘇聯開展了用于支持火星探測的RTG系統VISIT的研制，輸出電功率約為40瓦，但是VISIT一直沒有上天。這一時期，前蘇聯解決了RTG和熱源的關鍵技術，也啟動了Pu238生産線。

前蘇聯的重點一直放在可提供大功率的核反應堆系統上。前蘇聯空間核反應堆電源從20世紀50年代初期開始研究。第一個空間核反應堆電源系統是Romashka，系統電功率為460～475瓦。20世紀60年代早期，前蘇聯并行啟動了使用熱電轉換的BUK和使用熱離子轉換的TOPAZ反應堆電源系統項目。BUK系統輸出電功率約為3千瓦，壽命小于1年。BUK系統性能指标較Romashka要好，TOPAZ則進展較慢。由于BUK系統的出現，Romashka沒能在軌應用。1965年前後，前蘇聯還啟動了TOPAZ II熱離子核反應堆電源系統的研制。

1970～1988年，前蘇聯共發射了32顆使用BUK反應堆電源的“宇宙”系列衛星，這些衛星都屬于軍事海洋監視系列衛星“雷達型海洋監視衛星”(RORSAT)，典型的軌道是傾角65度、高度280千米的圓軌道。在軌展開後，衛星長約10米，重量約3800～4300千克，其中反應堆和助推段重量約為1250千克。這些衛星都是返回式衛星，在軌壽命從3小時至135天不等。1978年1月24日墜毀在加拿大的“宇宙”954衛星曾引起較大的政治風波。此事件之後，BUK反應堆助推系統進行了設計改進以避免反應堆再入大氣。

初創時期，前蘇聯的核推進研究主要集中在核熱推進上，并先後研制了IGR、IVG-1和IRGIT等專門用于核熱推進研究的反應堆系統。

圖2 RORSAT組成圖

二、“星球大戰”時期

從裡根總統提出“星球大戰”計劃，到前蘇聯解體，俄羅斯持續了約10年的不穩定時期，我們統稱為“星球大戰”時期，時間跨度約從20世紀80年代初持續至20世紀末。

這一時期，美國的核動力航天器發展邁向了新的台階，而前蘇聯則日漸萎縮。美國的主要精力集中在100千瓦以上核動力航天器的研發上，面向軍事和深空探測應用，取得了較好的研究成果；前蘇聯的研究也面向中大功率核動力航天器，但是由于政治和經濟環境的影響，新項目并沒有取得成效。歐洲在這一時期也開始進行核動力航天器的相關國際合作和研發。

1. 美國

“星球大戰”計劃和“太空探索倡議”（SEI）是這一時期美國核動力航天器發展的主要推動力。1983年3月，裡根總統提出了“星球大戰”計劃成為核時代向太空時代轉變的指導戰略。作為具有戰略作戰意義的計劃，該計劃一直由美國軍方主導。1989年7月，老布什總統提出了“太空探索倡議”，倡議發展軌道空間站、永久返回月球和載人登火星等任務。1991年12月，前蘇聯完全解體，美國成為世界唯一的超級大國。在這種形勢下，無論是“星球大戰”計劃，還是“太空探索倡議”都失去了發展的戰略意義，美國政府對核動力航天器的興趣日益減弱。

“星球大戰”的定向能武器需要核反應堆電源來提供能源，核武投送能力以及空間武器的軌道機動則可通過核推進來提供動力。以SP-100項目為代表的核電源和以“空間核熱推進”（SNTP）為代表的核熱推進項目得到美國政府的大力資助。SP-100由NASA、國防部和戰略防禦倡議辦公室（SDIO）聯合支持，于1983年啟動。SP-100項目首先發展100千瓦級的核電源。1990年，美國國防部退出了SP-100項目，1993年SP-100項目停止。1987年軍方将前期的核火箭計劃更名為“空間核熱推進”，并重新啟動。SNTP項目面向軍民部門提出的高速攔截器、運載火箭上面級、軌道轉移/機動運載器等需求，但首先應滿足美國空軍提出的火箭上面級推進任務需求。在完成原理樣機研制後，SNTP于1994年終止。

“太空探索倡議”提出後，在核電源方面，NASA積極參與SP-100并同時支持RTG。在核推進方面，1989年NASA與美國國防部、能源部合作開展了核電推進和核熱推進項目的研究。1991年，NASA成立了核推進項目辦公室，并啟動了自己的核推進項目。最初，NASA的研究重點放在了核熱推進上。後期，核電推進受到了NASA的重視。

20世紀80年代美國研制了通用熱源RTG（GPHS-RTG）。從探測木星的“伽利略”衛星開始，美國的核動力航天器轉而使用GPHSRTG，淘汰了前期多種類型的SNAP-RTG。每個GPHS-RTG可以提供約300瓦的功率。1990年發射的“尤利塞斯”(Ulysses)深空探測器使用了GPHS-RTG。前蘇聯解體後，美國還發射了“卡西尼-惠更斯”土星探測器（使用GPHSRTG）和“火星探路者”火星着陸器（使用3個RHU）。

在美國空間武器關鍵技術尚未突破的情況下前蘇聯解體了。所以，直到1993年項目終止，美國軍方一直沒有發射基于SP-100的航天器。但有文獻報道，軍方開展了基于SP-100的未來監視任務研究。NASA開展了基于SP-100的深空探測任務概念研究，但均沒有上型号。NASA所提出的概念的代表是土星環會合任務。這些任務都基于SP-100項目組提出的參考構形來開展，見圖3。這種由輻射器和支撐杆組成的傘狀構形成為這一時期大功率核動力航天器的标志。

SNTP項目所面向的高速攔截器、運載火箭上面級、軌道轉移/機動運載器等鮮有報道。NASA所提出的載人火星探測設計參考任務DRM是基于核熱推進技術設計的。DRM利用核熱推進來實現地球與火星間的星際轉移，并利用核反應堆電源來為飛船和火星基地提供電源。

前蘇聯解體後，美國和俄羅斯開展了核反應堆電源研制項目的合作，由俄羅斯為美國提供技術和培訓。1992～1993年，美國SDIO還開展了基于TOPAZ II的核電推進空間測試項目NEPSTP的研究。NEPSTP的主要目的是在美國境内發射一顆使用俄羅斯TOPAZ II的電推進衛星。這些項目都沒有形成實質性的成果。

圖3 SP-100項目組給出的衛星參考構形

圖4 DRM星際轉移飛行器示意圖

2.前蘇聯/俄羅斯

這一時期是前蘇聯核動力航天器發展從巅峰逐步走向衰退的時期。1991年底前蘇聯解體後，俄羅斯處于長時間的政治和經濟動蕩時期。在這樣的背景下，核動力航天器的發展顯然不受重視。作為那個時代最為先進的空間核反應堆電源系統，TOPAZ僅在軌使用了兩次就被束之高閣。前蘇聯解體後，TOPAZ II甚至被賣給曾經的對手——美國用來深入解剖、測試、教學和培訓。到了20世紀末，雖然俄羅斯也試圖恢複核動力航天器的研發，但是受到脆弱的經濟影響，所有項目都停留在地面，未能上天。

在這一時期，為了應對美國的“星球大戰”計劃，前蘇聯也開展了多個空間核反應堆項目的研究。TOPAZ和TOPAZ II反應堆電源系統得到了進一步發展。TOPAZ初期功率為6千瓦，效率5.5%，得到了在軌應用。1971年進行了第一次電測後，TOPAZ II系統不斷改進，但最終還是于1989年被政府停止。TOPAZ II反應堆最大電功率5.5千瓦。前蘇聯于20世紀80年代中期啟動了下一代空間核反應堆電源系統的研制，這些項目包括NPS-25、NPS-50和NPS-100。前蘇聯還開展了核反應堆電源/推進一體化系統NPPS的研發。在這些項目完成之前，前蘇聯就解體了。

這一時期，前蘇聯核動力航天器發展标志性的事件是，1987年使用TOPAZ的“等離子體”A試驗衛星發射并成功在軌運行。“宇宙”1818和“宇宙”1867衛星重約3800千克，采用約800千米高度的圓軌道，兩顆衛星各在軌運行了142天和342天。“等離子體”A是以RORSAT的名義發射的。

前蘇聯解體後，俄羅斯的核動力航天器項目主要采取國際合作的形式來開展。除與美國合作外，1992年，俄羅斯還為歐空局“月球歐洲演示器”(LEDA)的着陸器設計、生産并測試了一種壽命末期功率3.75瓦的RTG。20世紀90年代末期，俄羅斯為其主導的“火星”-96國際火星着陸探測器項目研制了RHU和RTG。可惜的是，這些項目都沒有在軌應用。

“等離子體”A試驗衛星示意圖

3.歐洲

這一時期，歐空局作為主要參研單位，與NASA合作開展了“尤利塞斯”和“卡西尼-惠更斯”探測器的研制，積累了核動力航天器的研發經驗。法國獨立開展了空間核動力項目研制。

1982年，法國開始了ERATO計劃，采用快中子堆，利用布雷頓循環氣體渦輪發電，預期功率50～300千瓦，壽命7～10年，拟用于同步軌道的電推進。20世紀90年代，法國還開展了MAPS核熱推進系統的研究。

三、新世紀

進入21世紀，多極化格局日益顯現，核動力航天器發展呈現出新的特點，我們稱之為新世紀，時間跨度約從21世紀初持續至今。美國和俄羅斯都不約而同地将目标瞄準兆瓦級以上核動力航天器的研發，應用則主要面向載人星際飛行。

1. 美國

美國在新世紀提出了多個涉及空間核動力的計劃或倡議，構成其核動力航天器發展的主要推動力。2002年2月，NASA發布了“核系統倡議”(NSI)，支持同位素和反應堆電源及推進系統的研發。2003年3月，NASA成立“木星冰月亮軌道器”（JIMO）項目辦公室，同時整個核動力研究項目更名為“普羅米修斯”工程。2005年，“普羅米修斯”工程因為經費問題以及NASA發展優先級的變化而被終止。2004年1月，為了提振美國人對太空探索的熱情，小布什總統發布了“太空探索願景”，提出了重返月球和載人登火星等太空探索任務。2010年4月15日，奧巴馬總統提出在21世紀30年代中期送人前往火星。2011年，NASA發布的《2013～2022年十年行星科學願景與旅行》，重點研究新的火星巡視器、木衛二的探索和天王星及其衛星探測的任務。NASA一直在以載人火星探測為最終目标來循序漸進地開展火星任務。上述項目都需要發展核動力航天器。

作為“普羅米修斯”工程的組成部分，RTG研究取得了一些進展。“多任務同位素熱電發電機”（MMRTG）是這一時期具有代表意義的系統，也是唯一得到在軌應用的系統。MMRTG設計壽命14年，壽命初期輸出功率125瓦。“普羅米修斯”工程對基于同位素的空間核推進技術進行了支持。該技術主要計劃用于小型和中型的太陽系外科學探測衛星。

基于核反應堆的大功率核電源和核電推進是這一時期的研究重點。在“普羅米修斯”工程和“太空探索願景”的激勵下，兆瓦級及以上的核反應堆電源概念不斷被提出。其中一些新概念和創新性技術得到了NASA探索項目的支持；大功率的核推進概念不斷湧現，同樣得到了NASA的支持。

JIMO是“普羅米修斯”工程的核心，也是這一時期核動力航天器的典型代表。JIMO主要用于探測木衛二和木星其他的衛星，任務實施分為5個主要階段，在項目終止前，剛完成前兩個階段任務，即将進入初樣設計。JIMO總重約21噸，展開狀态下長58.4米、寬15.7米，收攏狀态下長19.7米、寬4.57米，設計壽命20年。衛星能源來自一個550千瓦的核反應堆和一個2千瓦的太陽電池陣，使用8個30千瓦、比沖7000秒的離子發動機。下圖給出了JIMO在軌效果圖。

圖7 JIMO在軌效果圖

“可變比沖磁等離子體火箭”（VASIMR）是核推進技術的代表。在NASA的資助下，Ad Astra公司完成了200千瓦電功率的VASIMR發動機VX-200的原理樣機的研制、測試和試驗。測試數據顯示，發動機效率高達60%，是目前效率最高的電推進設備。NASA已經與Ad Astra公司簽署協議，将在國際空間站上進行VASIMR發動機的試驗飛行。Ad Astra火箭公司基于VASIMR和大功率核反應堆電源技術，提出了短期載人往返火星的概念，使用200兆瓦核反應堆在39天内載人到達火星；飛船使用5個VASIMR發動機，總重600噸，總旅程69天。

圖6 Ad Astra 200兆瓦載人火星飛船示意圖

進入新世紀後，美國發射了多顆用于深空探測的核動力航天器。“新地平線”（New Horizons）冥王星探測器使用GPHS-RTG供電，于2006年1月發射。勇氣号和機遇号火星車采用同樣的設計，每部車使用8個RHU，先後于2003年6月和7月發射。好奇号火星車電源完全由MMRTG供給，于2011年11月發射。

2.俄羅斯

2000年普京總統上台後，俄羅斯的政治形勢日趨穩定，經濟實力不斷增強。2001年以來，俄羅斯重拾對太空的興趣，加大了資金投入，重組了航天局，努力重現前蘇聯的航天實力。以月球基地和載人火星探測為代表的、需要空間核動力技術支持的遠景計劃一直存在于俄羅斯的各種航天規劃中。2005年10月初齊奧爾科夫斯基宇航科學院與俄羅斯導彈航天領域的重要工業組織及科研院所共同拟定的《2005～2035年俄羅斯航天活動構想及優先發展方向》、2005年底俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團制定并提交的《2006～2030年俄羅斯載人航天規劃構想》和2013年4月普京總統批準的《2030年前及未來俄聯邦航天活動領域國家政策原則的基本規章》，都将空間核動力以及需要其支持的深空探測任務列為優先發展方向。

俄羅斯在2000年以後主要開展了大功率核推進以及相關的核裂變反應堆電源的研究。大功率核推進系統和核裂變反應堆電源系統都用于支持以載人火星探測為代表的行星際飛行。21世紀初，俄羅斯在RD-0410的基礎上重新開展核電源推進系統NPPS的設計。該系統計劃使用布雷頓循環，燃料則計劃使用氙和氦，系統電功率50千瓦，推力68千牛。2010年6月，俄羅斯凱爾迪什研究中心按照總統的指示，牽頭啟動了使用NPPS的星際拖船項目的研究，拟用于将載荷從地球軌道拖至火星軌道。俄羅斯2010年還啟動了一個核離子推進系統研制計劃，系統設計壽命3年，電功率100～150千瓦，計劃于2017年完成系統的總裝測試。除此之外，俄羅斯還開展了核熱推進項目的研究。

新世紀，俄羅斯開展了核動力載人火星飛船的研究。飛船使用2個7.5兆瓦熱功率的核反應堆，産生約2.25兆瓦的電功率；使用10～20個（含備份）離子推力器，單個推力約為7～9牛，總推力約為140～170牛，推進系統效率為60%，比沖1600秒。飛船搭載6名宇航員，任務時間約為2年，火星表面停留時間約為15天。該飛船采用了液滴輻射散熱器。

圖8 俄羅斯載人火星飛船構形圖

3.歐洲

在世界多極化格局日趨明顯的新世紀，歐洲發出了發展自己的核動力航天器的呼聲。

2001年， 歐空局啟動了“ 曙光”（Aurora）計劃。此計劃包含了載人深空探測的内容，最終目的是将宇航員送上月球和火星。為了深空探測任務，歐空局已啟動了RTG和RHU的研制工作。RTG使用斯特林轉換，計劃于2017年具備生産能力，功率優于100瓦，效率15%～30%，壽命長于20年；RHU功率5瓦，壽命長于20年。歐空局特别提出，RTG和RHU的所有原材料和燃料都應能在歐洲境内獲得。

2002～2004年，法國開展了電推進系統OPUS的研究。近期，法國正在開展100千瓦空間核反應堆電源系統的研究。在諾貝爾獎獲得者卡洛.魯比亞的推動下，意大利航天局從上世紀末就開始支持核裂變推進系統的研究并持續至今。該推進系統使用镅-242作為燃料，有望實現星際間的快速飛行。

四、啟 示

縱觀核動力航天器60多年來的發展曆程，我們可以得到如下啟示：

1．核動力航天器是各航天大國的戰略性選擇。美國和前蘇聯（俄羅斯）作為兩個超級大國，都大力發展了核動力航天器。随着空間核電源功率水平向兆瓦級邁進，核動力航天器的戰略意義将越來越明顯。無論是體現一個國家科技實力的深空探測，還是更具戰略威懾的空間武器，都離不開核動力航天器。核動力航天器如同核動力航母和核動力潛艇一樣，對一個國家具有重要的戰略意義。作為崛起中的大國，我國有必要發展核動力航天器。

2．核動力航天器的發展由軍事需求推動，并在深空探索領域得到了進一步發展。軍事應用一直以來就是核動力航天器發展的最大推動力。在初創時期，無論是美國的“子午儀”和SNAPSHOT，還是前蘇聯的“獵戶座”和RORSAT，都是軍事用途。在軍方的支持下，核動力航天器技術成熟度提高後，其應用領域開始向深空探索擴展。在“星球大戰”時期，為了支撐空間武器，美國和前蘇聯軍方推動了諸如SP-100、SNTP和NPPS等重大項目的立項，這些項目也刺激了民用項目發展。進入新世紀，核動力航天器的軍事用途略有弱化，但是核動力航天器本身蘊藏的巨大軍事應用潛力不容忽視。

3．發展初期，核動力航天器的發展都得到了國家長期持續的支持。美國支持SNAP計劃長達十幾年，才最終孕育出“子午儀”、“阿波羅”和 “旅行者”等核動力航天器。前蘇聯從20世紀50年代一直到80年代末，都在持續大量地投入核動力航天器及其關鍵技術的研發，保證了RORSAT的持續發展，也誕生了諸如TOPAZ和TOPAZ II等世界領先的核反應堆電源和世界獨有的核電源/推進一體化系統NPPS。歐空局目前正在開展的RTG和RHU研制項目，從2009年持續至2017，長達9年。

4．核動力航天器的需求出現兩極分化，要平衡發展，不能有所偏廢。一方面，太陽系及外太陽系小型探索任務需要百瓦級、長壽命的小功率的核電源和核推進；另一方面，空間武器、載人火星探測等任務需要兆瓦級及以上的大功率核電源和核推進。為了保證不同任務的需求，基于空間核反應堆的大功率空間核技術和基于同位素的小功率空間核技術均應予以支持，統籌發展，不能有所偏廢。

5．重視核安全。前蘇聯造成的空間核事故提醒我們，在發展核動力航天器時必須要注意核安全。為此，我們有必要提前啟動空間核安全技術的研究。

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