国外空间推进新兴技术现状：新技术和新项目

核推进

核推进可分为核裂变和核聚变两种。

对于核裂变，当高能中子轰击并分解核反应堆内的铀原子时会产生热量。然后加热氢推进剂产生推力。“核热推进”(NTP)一词通常表示带有核裂变反应堆供热的火箭发动机。

对于核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。这个过程会产生热聚变等离子体，它要么有推进剂围绕/穿过它，要么直接从喷管排出产生推力。

不管是核裂变还是核聚变推进系统，研究团队都必须在任务整体论证时，与传统推进方法进行谨慎的权衡，保证安全和成本效益。

火星过境栖息地和核推进系统模拟图，图源：NASA/先进概念实验室

NASA和DARPA都有专注于开发核热推进系统的项目。NASA马歇尔太空飞行中心的太空核推进（SNP）项目由三个行业公司设计NTP发动机反应堆的概念，随着设计的成熟，该项目已经持续开展到第二年，目标是开发一种小型核热发动机，准备在这十年内进行地面或飞行试验，并且可以扩展到用于机组人员/货物往返火星任务的概念化NTP发动机。2023年1月左右，DARPA“敏捷地月空间行动示范验证火箭”（DRACO）计划A部分第一阶段合同的核热推进（NTP）系统反应堆和发动机的基线设计已完成，并成功测试了核反应堆的耐高温元件等关键部件。同时，DARPA准备开始他们的DRACO项目的第二阶段，旨在到2027年在近地空间飞行演示NTP系统。

作为太阳能、电池或放射性同位素系统的补充，人们也对基于核裂变的核电推进产生了浓厚的兴趣。核电推进可以不依赖太阳光照，发电量持续可靠，功率从几十千瓦级到兆瓦级。NASA的SNP项目调查了火星任务所需的高功率核电推进关键技术要素和成熟度。此外NASA格伦研究中心的核裂变表面能(FSP)项目致力于探索行星发电厂的概念设计，用于月球或火星基地及基础设施。这些空间核动力研究积累，为美国国防部使用航天器核裂变能实现国家安全打下基础。美国空军研究实验室(AFRL) (Kirtland AFB)最近为美国管理和预算办公室完成了一项核动力系统研究，并准备启动一个名为联合能源技术供应在轨核动力(JETSON)的项目，以将此类系统与产业概念化。

上面讨论的所有核裂变的项目都得到美国能源部的合作或直接支持，美国能源部在空间核反应堆设计能力方面发挥了重要作用。

与此同时，美国国防创新部门于2022年5月宣布，选择Ultra Safe Nuclear Corporation 和 Avalanche Energy Designs, LLC两家公司开发小型核动力航天器，计划于2027年进行太空演示。2022年4月，初创公司Zeno Power获得了2000万美元的A轮融资，用于研发“为航天器提供多年动力的小型核电池”。

2023年，欧空局未来空间运输系统部门(STS-F)资助了两项核动力可行性研究，分别是“RocketRoll”项目和“校友”项目，将确定成熟的关键技术和在欧洲发展核动力的步骤。

核电推进(NEP)作为太阳能或电池供电电推进的可行替代方案。不像太阳能或电池为传统电推进系统直接供电那样，NEP使用基于核裂变或聚变的反应堆加热工质来发电，所产生的电能直接给电推进系统供电。美国国家科学院2021年2月的一项研究指出，核电推进和核热推进都需要克服技术障碍，才能在2030年代完成载人火星任务。

核聚变推进研发公司已获得大量风险投资，用于开发这种“绿色”推进技术。由于温度较高，与化学推进和核裂变推进系统相比，核聚变推进具有非常高的效率。例如，航天飞机具有440秒的比冲(Isp)，而核聚变推进可以达到数千秒的比冲。核聚变推进缺点是不会产生像核裂变或化学推进那样高的推力和加速度，因此可能会增加太空旅行时间。

对空间核动力的研究兴趣高涨，催生了一系列会议活动。美国航空航天学会(AIAA)于2022年10月举行了加速商业航天、探索和新发现(ASCEND)会议，其中有七场分论坛与核动力主题相关，美国国防部、民用领域和欧洲相关项目的代表参加了会议。2022年11月举行的陆军-海军-NASA-空军联合会议 (JANNAF)首次出现核动力相关论文，有五场相关的分会场和两篇大会报告，并吸引了大量听众。其中最著名的技术论文均由阿拉巴马大学亨茨维尔分校的多位作者撰写，他们长期从事NASA支持的SNP项目研究。

由核裂变或核聚变推动的航天器现在正在研究作为一种更快的太阳系旅行方式，图源：NASA

电推进

本文中总结的电推进新兴技术包括碘工质电推进、水工质电推进和吸气式电推进。

电推进使用电能来加速离子产生推力。2020年12月，法国初创公司ThrustMe对碘燃料电力推进系统进行了首次在轨测试，证明了其改变立方体卫星轨道的能力。据该公司称，该系统进行了两次90分钟的测试，总轨道高度变化700米。ThrustMe公司称，碘工质推进系统可以“完全预装交付，简化卫星总装过程。”Momentus公司采用了另一种新颖的方法，开发了一种使用水工质的微波电热推进系统。2023年3月31日，Momentus公司完成Vigoride-5太空拖船水基微波电热推力器（Microwave Electrothermal Thruster，MET）的在轨点火测试，可改变轨道速度、高度和倾角等参数，可以把有效载荷运送到预定轨道。2023年3月13日，日本Pale Blue公司成功在近地轨道上运行水基推进系统Resistojet。

吸气式电推进(ASEP)是一种先进的空间推进概念，通过收集超低轨道（低于250km）的稀薄大气作为工质，能够在不携带任何工质的情况下实现卫星的长寿命在轨运行。尽管ASEP飞行器尚未在轨飞行，但JAXA和ESA最近的地面试验表明，吸气式电推进可以有效对抗大气阻力。“航空航天公司”重点关注ASEP设计和大气挑战，以及新的应用和任务机会。

吸气式电推进模拟图

太阳帆推进

太阳帆是一种利用阳光对巨型镜面施加机械压力来推进航天器的方法，类似风力推动帆船。高能激光束也可以替代光源，产生比太阳光更大的力（称为“光束航行”）。由于太阳帆可以持续加速，太阳帆推进的航天器可以比火箭推进的航天器更快到达遥远的星球。

2010年，日本的太阳辐射加速行星际风筝飞行器(IKAROS)是第一个成功采用太阳帆技术并飞越金星的航天器。2019年，行星协会的光帆2号利用太阳光改变轨道。2022年11月，NASA发射了近地小行星(NEA) Scout，这是一种低成本的太阳帆立方星，为大型太阳帆研制奠定基础，并验证小型航天器在地月空间中的侦查能力。在JAXA和行星协会的研究基础上，欧洲首个太阳帆任务法国 Gama Alpha 6U 太阳帆立方星于2023年1月发射。美国和其他一些国际倡议还有等待发射的太阳帆航天器。

太阳帆模拟图

未来展望

政府和商业领域对推进技术的需求不断增加，私营领域和美国政府机构的持续投资，以及出现了开发新兴技术的低成本快速测试方法。在此背景下，空间推进变革的步伐将加快，商业航天公司的数量将至少在未来3-5年内继续增长。总的来说，在空间推进领域期望有新的市场进入者，尤其是核聚变推进有望取得突破。“航空航天公司”建议美国NASA、太空部队(USSF)等美国政府航天组织和其他机构在资金方面加强协调，避免任务重叠。和核推进相比，化学推进和电推进的技术进展缓慢，太阳帆凭借其JAXA和行星协会的研究基础以及 NASA 的 NEA Scout 计划正在慢慢成为主流。

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参考文献

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[2]    Europe‘s First Solar Sail Mission 'Alpha' Launched[EB/OL]. [2023-5-18]. https://spaceref.com/newspace-and-tech/europes-first-solar-sail-mission-alpha-launched/.

[3]    日本Pale Blue公司成功在轨测试水基卫星推进系统[EB/OL]. [2023-5-18]. 空天动力瞭望

[4]    美国水工质推力器完成在轨测试[EB/OL]. [2023-5-18]. 空天动力瞭望

[5]    核推进助力载人登火，NASA和DARPA合作DRACO项目[EB/OL]. [2023-5-18]. 空天动力瞭望

[6]    欧空局资助两项核推进项目[EB/OL]. [2023-5-18]. 空天动力瞭望

[7]    美完成DRACO核热推进系统反应堆和发动机基线设计[EB/OL]. [2023-5-18]. 空天动力瞭望