什么是“空间核动力”？

核能，其发现和利用是人类20世纪最伟大科技成果之一，被认为是解决能源问题的终极答案。

航天，上世纪50年代以来突飞猛进，助力人类走出“摇篮”，探索浩瀚苍穹。

航天火箭发射

作为人类科学技术领域两颗耀眼的明珠，核能与航天技术深刻影响了人们的生活以及认知世界的方式。核能为人类提供了一种新的能量密度更高的动力来源，有望解决人类生存所需的能源问题；航天技术的发展则使得人类得以站在“上帝视角”俯瞰我们生活的蔚蓝星球，并将人类的“足迹”拓展到太阳系之外，以及寻找新的宜居星球。

核电站为全球提供了10%的电力供应

你是否想过，这两个看似不相关的领域已经有所交集，并碰撞出了人类科技新的火花！

无论是环绕地球的卫星、地外星球表面的探测器和漫游车还是游弋在宇宙中的深空探测器，动力能源问题是这些航天器所要首先解决的问题之一。核能，为航天器提供了除太阳能、化学能之外一种新的能源选择。在一些深空探测任务中，核能甚至是唯一的选择！

在航天领域应用核能作为能源的技术便是空间核动力！

按照能量来源划分，核能可以分为衰变能、裂变能和聚变能，其中前两种已经实现工程应用，人类目前正努力攻克可控核聚变的一系列问题。同样，人类已经可控的其中两种核能也已多次应用在航天活动中。

衰变，原子核自发地放射出α、β、γ等带有能量的粒子而发生的转变。衰变能即利用了原子核的放射性。

裂变，一个原子核裂变成为两个或多个较轻质量原子核的现象，并伴随着能量的产生。

原子核衰变或裂变会将核能转变为热能，人们对核能的利用其实都是转变为对热能的利用。

核能在航天领域的应用形式可以划分为3种形式：热源、电源、推进动力。

热源

核能转变为热能后，可以直接用来为航天任务供热或保温。比如在航天器中广泛使用的放射性同位素热源（Radioisotope Heater Unit，RHU），其利用钚-238（Pu-238）、钋-210（Po-210）等放射性元素的衰变产生的热量为一些工作在低温环境中的航天器保温，例如工作在月球表面或者火星表面的探测器。

Pu-238自发衰变产生热量使自身变红

2013年12月，中国首个采用空间核动力装置的航天器-嫦娥3号成功发射，并实现了中国首次月球软着陆。其中，着陆器和巡视器供携带了5个不同功率的采用Pu-238的RHUs，包括3个120Wt，1个4Wt和1个8Wt。

玉兔号月球车与嫦娥3号着陆器

美国在在空间任务中使用RHU的经验较为丰富。人类首个火星车“旅居者号”(Sojourner Rover），1997年7月4日着陆火星)便采用3个RHUs来为自身保温。

“旅居者号”极其所采用的RHU

随后，美国在“勇气号”（Spirit）和“机遇号”（Oportunity）火星车任务中均采用8个RHUs为其保温。这两个姊妹火星车均在2004年着陆火星，其中，“机遇号”在火星工作超过15年，“勇气号”也工作超过6年。这些RHUs也均采用Pu-238作为放射源。

“勇气号”（“机遇号”）火星车在火星行驶效果图|NASA

电源

目前，核能在空间中的应用主要便是为航天器提供电源，包括放射性同位素电源和空间核裂变反应堆电源。

放射性同位素电源的典型便是我们通常所说的“核电池”（Radioisotope Thermalelectric Generator，RTG），其利用元素自发衰变放出的热能，通过温差电转换器转换为电能。美国在RTG方便的技术最为成熟，应用经验最多。世界上首个使用RTG作为电源的航天器是美国于1961年发射的导航卫星-子午仪4A（Transit 4A），其携带了一个电功率为2.7We的SNAP-3B放射性同位素电池作为唯一的电源。

子午仪-4A发射60周年宣传海报|NASA

在著名的“阿波罗”登月任务中，阿波罗12、13、14、15、16、17等5次任务均携带了核电池，除阿波罗13号任务提前返航外，其余5次任务均成功在月面部署了RTG，为一些月表探测设备提供电能。

阿波罗14号航天员在月面部署RTG|NASA

此后美国在先驱者10/11号行星探测器（Pioneer 10/11 planetary probe）、旅行者1/2号（Voyager 1/2）、伽利略号（Galileo）、尤利西斯太阳探测器（Ulysses）、卡西尼-惠更斯号（Cassini-Huygens)、新地平线号（新视野号）（New Horizons）等深空探测器中均使用“核电池”作为能量来源。其中1977年发射的旅行者1号已经飞出太阳系，并且还能向地球传回微弱的信号！

美国一些采用RTG供能的深空探测器|NASA

鉴于“核电池”的长寿命以及稳定性，美国也将其应用在了火星探测领域。1975年8月20日和9月9日，美国先后向火星发射了海盗1号着陆器（Viking 1 Lander）和海盗2号着陆器（Viking 1 Lander）。两个着陆器分别用两个SNAP-19 RTG核电池作为能量来源。其中，海盗一号工作超过6年，海盗2号工作也超过4年。

“海盗1号”（“海盗2号”）示意图

2012年8月6日13:30，美国的“好奇号”（Curiosity）火星漫游车成功登陆火星，这是世界上首个采用RTG供能的火星车！目前，好奇号仍在继续探索火星！2021年2月19日,基于“好奇号”的结构改进的更为强大的火星车“毅力号”(Perseverance)成功着陆火星。 “好奇号”和“毅力号”所使用的是多任务放射性同位素热电发生器（ Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG）。

美国“毅力”号火星车

毅力号所采用的“核电池”

我国在2018年发射的嫦娥四号任务中也首次应用了基于Pu-238的RTG。嫦娥四号携带了一个5We的 RTG，此外，其也携带了2个120kWt、1个4Wt和1个8Wt的RHU。

RTG的优点在于其寿命长，可靠性高。但其电功率较小，一般在百瓦级。相比之下，空间核反应堆电源则可以实现更高功率的电源输出。

空间核反应堆电源采用反应堆内核燃料裂变反应放出的热量，将其转化为电能来为航天器供能。1965年，美国发射了世界上首个空间核反应堆电源SNAP-10A，其输出电功率达到500W，但因航天器电气设备故障，在轨运行42天后便永久关闭。此后，美国再未发射空间核反应堆电源。

美国SNAP-10A空间堆

前苏联则在1970年到1988年间发射了34座采用空间堆电源供能的近地轨道航天器，最高电功率输出达到5.6kWe，最长工作寿命达到342天。1988年以后，因为安全等方面的问题，苏联也再未进行过空间堆电源的在轨应用。

前苏联“BUK”空间堆，共发射32座

前苏联“TOPAZ-Ⅰ”空间堆，共发射2座

空间核电源作为一种自主能源，其不依赖光照，电功率输出稳定，相对于大面积的太阳能帆板来说结构更为紧凑，并且空间堆可以实现从千瓦级到百千瓦级甚至兆瓦级的功率输出，因此在深空探测任务、大功率航天器、月球或火星基地建设等领域，空间核电源将是最理想的甚至是唯一的选择！

推进动力

从推进动力来看，我们仍然无法逃出物理规律的限制，那就是动量守恒定律。要让航天器获得加速度，就必须有物质向相反的方向运动，也就是航天器通常会携带的推进剂。同等质量的推进剂喷出的速度越快，航天器能够获得的前进的动力也就越大。目前，空间推进动力包括燃烧推进以及电推进。

燃烧推进是最传统也是最广泛的推进方式，即让推进剂燃烧（如液氢、煤油）产生高温高压的环境，然后喷射而出。优点：推力大，且应用十分成熟。缺点：工作时间短，燃烧时的高温高压对材料性能要求很高，目前还很难让其进行小时量级的连续工作；比冲（可以认为是耗费单位质量的推进剂获得的动力）较小；需要同时携带燃料和推进剂两种工质。

长征七号一级YF-100液氧煤油火箭发动机|翼下地球

已经得到应用的新一种推进方式便是电推进，这种方法是让带电离子在电场作用下加速，从喷射口高速喷出。优点：比冲大；只需携带一种工质。缺点：这种方式产生的推力较小，主要对航天器的姿态和轨道进行微调。

某型电推进器

核能作为推进动力的潜力主要是在核热发动机领域。20世纪50年代，美苏先后进行了有关核热推进的研究，其基本原理是利用核反应堆产生的高温加热推进剂，使其体积迅速膨胀，并高速喷射，以此产生动力。美国地面试验表明，这种方式可以获得比燃烧推进更高的效率。优点：核热推进只需携带一种推进剂，不像燃烧推进需要同时携带燃料和氧化剂；比重较高，更节省推进剂。缺点：核反应堆会产生放射性，对环境、材料等很不友好。

美国NERVA核热推进火箭发动机（样机）

前苏联RD-0410核热火箭发动机（样机）

理论计算表明，使用核热推进方式进行载人火星探测任务将比使用常规燃烧推进方式所需发射质量更小，且耗资更少。因此，美俄均在进行相关技术攻关。但是，因为核安全以及材料等方面问题，核热推进技术一直未能进行实际空间应用，仍停留在地面研究阶段。

目前，世界各国正在努力重返月球，并在月球建设永久基地下，需要稳定供电的电源设施；极地轨道定向能武器的研发及应用需要大功率电源作为基础；深空探测任务依靠长寿命的核电池才得以实现。空间核动力技术将是未来人类航天在多个领域得以取得进展或者突破的动力基础，是亟需大力发展的战略性技术！

采用空间核反应堆供电的航天器示意图

核能+航天，目标星辰大海！