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導 讀

為了解決深空探索中的能源供給問題，美國國家航空航天局(NASA)正在進行空間核裂變反應堆的研發，如著名的KiloPower和正在概念驗證階段的核熱推進(NTP)計劃。隨著核裂變反應堆的逐漸成熟，美國開始積極研究和規劃其在深空探索中的具體應用。

1.月球相關裂變能源

2020年7月,美國愛達荷國家實驗室(INL)承包商巴特爾能源聯盟有限責任公司(BEA)發布星球表面裂變能電力系統(FSP)信息征詢書(RFI)，目的是向合作伙伴征集下述信息：可供在月球和火星上建設和部署的核反應堆的測試和驗證技術和方法。

征詢書指出，隨著太空探索活動時間的持續增長，NASA需要比以往更加耐用、更具彈性且更加可靠的能源。小型反應堆能夠為空間探索提供必要的電力。通過核裂變能電力項目(NFPF)，NASA已明確在月球表面建設反應堆系統的需求。

在完成信息征詢后，將發布項目第一階段招標書(RFP)，并完成星球表面裂變能電力系統工程示范裝置(FSP-EDU)的初步設計。第二階段將完成FSP-EDU的最終設計、設備制造、建設和地面測試，最終還將交付一個將在月球表面部署的裂變能電力飛行系統(FSP-FS)。征詢書同時指出，將FSP-FS設計為不需要進行重大設計變更便可擴展至火星表面運行是至關重要的，火星探索比月球需要更長的時間，因此這一擴展的可行性必須納入FSP-EDU和FSP-FS的設計中。

2020年9月，NASA正式公布了“阿爾忒彌斯”(Artemis)月球探測計劃。根據Artemis計劃，NASA將于2021年開始運用機器人開展月球無人探測，在2024年前運送美國宇航員重返月球，并在2025至2030年間建立環月軌道空間站和月球表面基地以實現美國月面持續駐留，為未來美國宇航員登陸火星的任務奠定基礎。

在Artemis計劃中，NASA明確了會在其后續階段逐步建立月球表面電力系統(LSP)為支持整個月夜期間持續的探測活動提供電力供應，并能夠為將來的載人火星探測所用。NASA正開發的KiloPower模塊化電力系統正是LSP的核心，它非常適合為載人著陸器、宇航員居住艙、在橢圓軌道持續運行的月球資源勘測系統提供電力。

KiloPower在月球表面的潛在應用

2.火星相關裂變能源

2020年，NASA提出了將人類送上火星的6項關鍵技術，包括快速空間推進、隔熱罩、火星宇航服、火星表面能源、漫游車和激光通信，這其中的三項與裂變反應堆有關。

快速空間推進

前往火星的宇航員將進入深空約1.4億英里，這要求推進系統能快速、安全地提供動力，這樣可以在短時間內到達目的地以減少宇航員遭受的太空輻射。NASA正在研究多種推進選擇，包括核電推進和核熱推進。兩者都使用核裂變反應堆，但彼此有所不同。

核電推進使用核反應堆發電，由電力帶動推進器運行，效率更高，但不會產生很大的推力;核熱推進使用核反應堆加熱液態氫氣，由高溫高壓氫氣流經噴管高速噴出進行推進，雖然效率稍低，但可以提供上萬牛的推力，相比之下NASA對核熱推進更有熱情。

充氣式隔熱罩

NASA正在研究一種充氣式隔熱罩，與剛性隔熱罩相比，該隔熱罩可大幅減少占用運載火箭的空間。該技術可以將航天器降落在任何有大氣層的星球上，可有效幫助航天器在進入火星大氣層時完成減速，以實現安全著陸。即將進行的直徑6米(約20英尺)隔熱罩原型的飛行測試將展示其進入地球大氣層時的性能。該測試將證明它可以在進入火星時經受住高溫。

工程師準備在充氣結構上安裝柔性隔熱罩

高科技火星太空服

NASA正在研制的高科技火星太空服采用模塊化設計，配備便攜式生命保障系統與溫度控制系統，并加強了對宇宙輻射的防護，可確保航天員在火星表面自由行走。

火星漫游車

為了減少在火星表面上著陸的設施數量，NASA將研發一種居住和實驗一體化的火星漫游車，該漫游車配有航天員所需的一切生活用品和實驗設備，可維持數周。NASA近幾年發射的火星車都采用了同位素電源，但它們依靠钚-238的自然衰變運行，并且只提供一百瓦左右的電力，所用的钚也很昂貴、難以制造且供不應求。而KiloPower可以提供10kW的電力，是漫游車的理想動力源。

火星漫游車后部折疊起來的KiloPower核反應堆概念圖

可持續電力系統

由于火星上周期性的沙塵暴氣候可持續數月，因此核裂變供能系統比太陽能系統更可靠，NASA已經在地球上測試了核裂變動力技術，并證明了該技術的安全性和高效性，且可長時間供能。NASA計劃首先在月球上演示并使用核裂變動力系統，然后在火星上進行演示。

火星裂變供能系統，同樣采用KiloPower

激光通信系統

NASA計劃使用激光通信系統在火星和地球之間傳輸數據，激光通信系統可向地球發送大量的實時信息和數據，包括高清圖像、視頻等。使用當前的無線電通信系統，向地球發送火星地圖可能需要9年，而使用激光通信則僅需要9周。NASA已于2013年在月球演示中證明了激光通信的可行性。

2013年激光通信演示

3.探測器潛在選項

泰坦-土星系統任務

泰坦-土星系統任務(Titan Saturn System Mission,簡稱TSSM)是NASA和ESA聯合土星探測項目，原計劃于2020年發射,從火星和木星獲得重力輔助，于2029年抵達土星系統。為期4年的主要任務將包括兩年的土星任務、2個月的泰坦航空采樣和20個月的泰坦軌道駐留。但在2009年由于木星及其衛星的任務優先于泰坦-土星系統任務而被推遲，但TSSM將繼續評估可能的開發和發射。

使用ASRG的TSSM(左)，使用KiloPower的TSSM(右)

TSSM最初設計時使用500W同位素電源ASRG，2014年由NASA空間系統參數評估協作建模(COMPASS)重新審查，在研究中安裝了1kWe KiloPower反應堆進行概念設計。原始的基于同位素電源的電力推進航天器質量更小，行程時間更短，但裂變反應堆電源允許更多的功率用于科學儀器，允許以更高帶寬進行實時、連續通信，同時由于可用功率的增加而允許更高分辨率的成像。

凱龍星(Chiron)軌道器

該設計用于飛越半人馬小行星2060 Chiron。最初于2004年作為跨太陽系放射性同位素電源推進研究的一部分提出，于2014年由COMPASS團隊在KiloPower動力架構下重新審查。但其發表的成果較少。

使用KiloPower的凱龍星軌道器

木星-歐羅巴軌道飛行器(JEO)

木星-歐羅巴(Jupiter-Europa，Europa是木星的第二顆已知衛星)軌道飛行器是美國Europa Clipper(計劃2023年發射)的前身，最初設計有5個同位素MMRTG(相當于1個ASRG，500We)。但是，如果使用1kWe反應堆，該設計可能具有兩倍的可用功率、更高的數據返回率和更好的數據收集能力。這將使發電設備的質量(MMRTG為260千克)再增加360千克，但同時也消除了對钚-238的需求。

木星-歐羅巴軌道飛行器

總結

隨著KiloPower取得階段性成果及NTP計劃開始實施，NASA開始規劃和探索核裂變反應堆在空間的潛在應用。其中，月球和火星表面電力供應是核裂變反應堆的主要應用領域，NASA已經有明確的規劃推進其實施。深空探測器是潛在的應用選項，NASA及其它研究機構都有研究成果發布。

主要信息來源

[1] KILOPOWER: NASA’S OFFWORLD NUCLEAR REACTOR.

[2] Special Topic for Nuclear CLT: Kilopower Project.

[3] 《NASA Artemis計劃》artemis_plan-20200921.

[4] 6 Technologies NASA is Advancing to Send Humans to Mars.

[5] 王立武,郭東文,張章,呂智慧,趙淼,劉宇.美國宇航局Artemis月球探測計劃簡介[J].航天返回與遙感,2020,41(05):1-12.

[6] 李穎涵,伍浩松.美發布月球表面裂變能電力系統信息征詢書[J].國外核新聞,2020(08):11.