核动力技术：加速人类登陆火星的征程

院士的话

载人火星探测任务是载人航天领域的长远目标项目，也是航天大国的竞争新疆域。而火星距地球的距离约是地月之间的500倍，不仅使航天器的规模及任务难度远大于地月间往返，宇宙中的长时航行还将带来空间辐射、微重力等问题对航天员产生不利影响。开发地火间快速往返技术是实现安全载人火星任务的最基本要求，而目前主流的化学火箭推进系统的能力难以适应载人火星任务，存在比冲低（≤500s）、质量大、在轨组装难等问题，更高效的核热、核电推进技术成为发展应用的方向。核热推进利用核反应堆产生的裂变热能把氢气等低分子量推进剂加热到很高的温度，然后将高温高压的推进剂从喷管高速喷出，产生高比冲（≥900s）。核电推进把核反应堆的裂变热能转换成大功率电能，供给电推进系统使用。推动核动力载人火星往返运输器研究发展，是实现快速高效地火往返的重要途径，对提升我国进出外空、利用外空能力，建立航班化载人航天运输系统以及建设航天强国具有重要意义。

王巍

中国科学院院士

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登陆火星是人类探索宇宙的重要目标

火星对人类来说一直是特殊的存在，火红色的整体外观更是让这颗行星格外惹人关注。人类对火星的观察和探测历史已经超过3500年，包括了对火星的地基观察和航天探测。从火星在太阳系中的位置来看，它是太阳系八大行星之一，离太阳由近至远的次序排列为第四颗。在太阳系八大行星之中，火星也是距离地球第二近的行星（最近的是金星）。大约每隔26个月就会发生一次火星冲日，地球与火星的距离在冲日期间会达到极小值，通常不足1亿公里，而在火星发生大冲时，距离甚至不足6000万公里，这为人类地基观察火星提供了更好的条件。

人类的火星探测之路充满了坎坷，近一半的探测器，尤其是早期发射的探测器，都设有能够成功完成任务。但火星对人类似乎有一种特殊的吸引力，因为它是太阳系中最近似地球的天体之一。此外，根据科学家推测，火星上曾经应该有着巨大的湖泊存在，这对于人类寻找外星球生命和未来人类移民，有着重大的意义，因此，探索火星一直是人类探索宇宙的重要目标。

▲火地距离与火星探测器发射窗口的关系

核动力载人火星探测登上舞台

载人火星轨道运输器的技术路线中，采用传统化学推进和太阳能电推进对任务带来了挑战和不确定性。不同于其他地月空间采用传统推进的航天任务，核动力技术受到了载人火星探测的青睐，新世纪以来，针对载人火星探测中轨道运输器的方案大多数涉及到了核动力技术。

▲SpaceX 星箭载人火星任务

为什么会出现这种技术路线的差异呢？火星距地球的距离约是地月之间的500倍，不仅使航天器的规模及任务难度远大于地月间往返，宇宙中的长时航行还将带来空间辐射、微重力等问题对航天员产生不利影响。采用目前主流的化学火箭推进系统，效率较低，要达到往返火星的目标，航天器需要携带千吨级的推进剂，远远超过目前百吨级的发射能力，即使采用多次发射，其在轨组装、航天器结构等也面临巨大挑战。因此，探索更先进更高效的核热推进和核电推进等技术应用，成为发展方向。核推进系统主要可分为核电推进和核热推进。

▲载人火星太阳能电推进航天器（左）与国际空间站（右）规模对比

核热推进

核热推进的工作原理是采用工作介质流过核热反应系统（反应堆）吸收能量，产生高温高压的气体，然后通过喷管被加速到超音速，从而产生推进动力。核热推进比冲相对较高，可达900s，约是传统化推的2~3倍，可以实现较少的发射规模。此外，核热推进的推力与化推类似，可达到千牛级，能够提供快速往返火星的能力，从而降低宇航员长期暴露于宇宙和高能太阳辐射的风险，也可为快速应急逃生轨道机动提供大推力。

▲核热推进系统组成

核电推进

核电推进的工作原理是将核反应堆产生的热能通过热电转换装置转换成电能，再通过电源管理与分配装置将电能提供给电推力器等，为航天器提供推力。电推进的比冲一般可超3000s，远远大于化学推进最大约500s的比冲。在相同速度增量下，极大程度的节省了推进剂质量，可以达到最小发射规模。但电推进的推力小，小功率的电推力器通常只有mN级，远远小于化学推进上千牛的推力等级。因此，不受深空中太阳光照强度约束又可以高效提供大功率的核电源可以数量级的显著提升电推进系统的推力。此外，采用少量的化学推进发动机进行组合推进，用于行星捕获和逃逸以减少航行时间。

▲DRA5.0 中载人（上）和货运（下）飞船示意图

核动力载人火星探测的快速往返优势

虽然太阳能电推进、化学推进、核电推进、核热推进等各种动力形式均可以满足往返火星，但实际上载人火星探测任务对轨道运输器提出了额外的需求：短任务时间和小发射规模。短的任务时间意味着航天员着陆火星后，无法等待到最省能量的返回地球窗口，因为这是将近500天的等待，带来了空间辐射、零重力等长期空间任务的许多其他方面相关的风险。因此，载人火星探测的焦点已转变为携带更多推进剂执行短期任务，取代低能量需求的长期任务。于是更为高效的核推进技术成为轨道运输器的最优动力形式。

▲核电 - 化学组合推进航天器

实现核动力载人火星探测快速往返的重要意义

核动力载人火星快速往返，是实现人类首次登陆火星、地火航班化运输、火星移民的重要基础。以核动力载人火星快速往返技术作为开发空间先进动力的重要载体，将改变现有化学推进比冲低的技术现状，在空间高比冲大推力核热推进、长寿命高效率核电推进等方面取得突破，大幅提高进出空间、空间中机动的能力。同时可作为牵引深空探测工程技术突破的创新引擎，带动低温燃料长期低损耗贮存技术、长寿命空间核电源技术、高母线电压大功率供配电技术、高效热量传输与热电转换技术、大功率高比冲电推进技术、高精度导航、制导与控制技术、新兴材料制造等众多新兴技术的发展。突破核动力载人火星快速往返技术，可以大幅提升人类进入近地空间、地月空间、深空等的频率并缩短航行时间，为建立航班化载人航天运输系统，高效开发和探索宇宙具有重要意义。

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