导 读

为了解决深空探索中的能源供给问题，美国国家航空航天局(NASA)正在进行空间核裂变反应堆的研发，如著名的KiloPower和正在概念验证阶段的核热推进(NTP)计划。随着核裂变反应堆的逐渐成熟，美国开始积极研究和规划其在深空探索中的具体应用。

1.月球相关裂变能源

2020年7月,美国爱达荷国家实验室(INL)承包商巴特尔能源联盟有限责任公司(BEA)发布星球表面裂变能电力系统(FSP)信息征询书(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设和部署的核反应堆的测试和验证技术和方法。

征询书指出，随着太空探索活动时间的持续增长，NASA需要比以往更加耐用、更具弹性且更加可靠的能源。小型反应堆能够为空间探索提供必要的电力。通过核裂变能电力项目(NFPF)，NASA已明确在月球表面建设反应堆系统的需求。

在完成信息征询后，将发布项目第一阶段招标书(RFP)，并完成星球表面裂变能电力系统工程示范装置(FSP-EDU)的初步设计。第二阶段将完成FSP-EDU的最终设计、设备制造、建设和地面测试，最终还将交付一个将在月球表面部署的裂变能电力飞行系统(FSP-FS)。征询书同时指出，将FSP-FS设计为不需要进行重大设计变更便可扩展至火星表面运行是至关重要的，火星探索比月球需要更长的时间，因此这一扩展的可行性必须纳入FSP-EDU和FSP-FS的设计中。

2020年9月，NASA正式公布了“阿尔忒弥斯”(Artemis)月球探测计划。根据Artemis计划，NASA将于2021年开始运用机器人开展月球无人探测，在2024年前运送美国宇航员重返月球，并在2025至2030年间建立环月轨道空间站和月球表面基地以实现美国月面持续驻留，为未来美国宇航员登陆火星的任务奠定基础。

在Artemis计划中，NASA明确了会在其后续阶段逐步建立月球表面电力系统(LSP)为支持整个月夜期间持续的探测活动提供电力供应，并能够为将来的载人火星探测所用。NASA正开发的KiloPower模块化电力系统正是LSP的核心，它非常适合为载人着陆器、宇航员居住舱、在椭圆轨道持续运行的月球资源勘测系统提供电力。

KiloPower在月球表面的潜在应用

2.火星相关裂变能源

2020年，NASA提出了将人类送上火星的6项关键技术，包括快速空间推进、隔热罩、火星宇航服、火星表面能源、漫游车和激光通信，这其中的三项与裂变反应堆有关。

快速空间推进

前往火星的宇航员将进入深空约1.4亿英里，这要求推进系统能快速、安全地提供动力，这样可以在短时间内到达目的地以减少宇航员遭受的太空辐射。NASA正在研究多种推进选择，包括核电推进和核热推进。两者都使用核裂变反应堆，但彼此有所不同。

核电推进使用核反应堆发电，由电力带动推进器运行，效率更高，但不会产生很大的推力;核热推进使用核反应堆加热液态氢气，由高温高压氢气流经喷管高速喷出进行推进，虽然效率稍低，但可以提供上万牛的推力，相比之下NASA对核热推进更有热情。

充气式隔热罩

NASA正在研究一种充气式隔热罩，与刚性隔热罩相比，该隔热罩可大幅减少占用运载火箭的空间。该技术可以将航天器降落在任何有大气层的星球上，可有效帮助航天器在进入火星大气层时完成减速，以实现安全着陆。即将进行的直径6米(约20英尺)隔热罩原型的飞行测试将展示其进入地球大气层时的性能。该测试将证明它可以在进入火星时经受住高温。

工程师准备在充气结构上安装柔性隔热罩

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块化设计，配备便携式生命保障系统与温度控制系统，并加强了对宇宙辐射的防护，可确保航天员在火星表面自由行走。

火星漫游车

为了减少在火星表面上着陆的设施数量，NASA将研发一种居住和实验一体化的火星漫游车，该漫游车配有航天员所需的一切生活用品和实验设备，可维持数周。NASA近几年发射的火星车都采用了同位素电源，但它们依靠钚-238的自然衰变运行，并且只提供一百瓦左右的电力，所用的钚也很昂贵、难以制造且供不应求。而KiloPower可以提供10kW的电力，是漫游车的理想动力源。

火星漫游车后部折叠起来的KiloPower核反应堆概念图

可持续电力系统

由于火星上周期性的沙尘暴气候可持续数月，因此核裂变供能系统比太阳能系统更可靠，NASA已经在地球上测试了核裂变动力技术，并证明了该技术的安全性和高效性，且可长时间供能。NASA计划首先在月球上演示并使用核裂变动力系统，然后在火星上进行演示。

火星裂变供能系统，同样采用KiloPower

激光通信系统

NASA计划使用激光通信系统在火星和地球之间传输数据，激光通信系统可向地球发送大量的实时信息和数据，包括高清图像、视频等。使用当前的无线电通信系统，向地球发送火星地图可能需要9年，而使用激光通信则仅需要9周。NASA已于2013年在月球演示中证明了激光通信的可行性。

2013年激光通信演示

3.探测器潜在选项

泰坦-土星系统任务

泰坦-土星系统任务(Titan Saturn System Mission,简称TSSM)是NASA和ESA联合土星探测项目，原计划于2020年发射,从火星和木星获得重力辅助，于2029年抵达土星系统。为期4年的主要任务将包括两年的土星任务、2个月的泰坦航空采样和20个月的泰坦轨道驻留。但在2009年由于木星及其卫星的任务优先于泰坦-土星系统任务而被推迟，但TSSM将继续评估可能的开发和发射。

使用ASRG的TSSM(左)，使用KiloPower的TSSM(右)

TSSM最初设计时使用500W同位素电源ASRG，2014年由NASA空间系统参数评估协作建模(COMPASS)重新审查，在研究中安装了1kWe KiloPower反应堆进行概念设计。原始的基于同位素电源的电力推进航天器质量更小，行程时间更短，但裂变反应堆电源允许更多的功率用于科学仪器，允许以更高带宽进行实时、连续通信，同时由于可用功率的增加而允许更高分辨率的成像。

凯龙星(Chiron)轨道器

该设计用于飞越半人马小行星2060 Chiron。最初于2004年作为跨太阳系放射性同位素电源推进研究的一部分提出，于2014年由COMPASS团队在KiloPower动力架构下重新审查。但其发表的成果较少。

使用KiloPower的凯龙星轨道器

木星-欧罗巴轨道飞行器(JEO)

木星-欧罗巴(Jupiter-Europa，Europa是木星的第二颗已知卫星)轨道飞行器是美国Europa Clipper(计划2023年发射)的前身，最初设计有5个同位素MMRTG(相当于1个ASRG，500We)。但是，如果使用1kWe反应堆，该设计可能具有两倍的可用功率、更高的数据返回率和更好的数据收集能力。这将使发电设备的质量(MMRTG为260千克)再增加360千克，但同时也消除了对钚-238的需求。

木星-欧罗巴轨道飞行器

总结

随着KiloPower取得阶段性成果及NTP计划开始实施，NASA开始规划和探索核裂变反应堆在空间的潜在应用。其中，月球和火星表面电力供应是核裂变反应堆的主要应用领域，NASA已经有明确的规划推进其实施。深空探测器是潜在的应用选项，NASA及其它研究机构都有研究成果发布。

主要信息来源

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

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

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

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

[5] 王立武,郭东文,张章,吕智慧,赵淼,刘宇.美国宇航局Artemis月球探测计划简介[J].航天返回与遥感,2020,41(05):1-12.

[6] 李颖涵,伍浩松.美发布月球表面裂变能电力系统信息征询书[J].国外核新闻,2020(08):11.