空間核熱推進(jìn)技術(shù)是指利用反應(yīng)堆堆芯的熱量直接加熱輸送到反應(yīng)堆內(nèi)的推進(jìn)劑(一般是氫氣)，再使之從噴嘴膨脹噴出，從而產(chǎn)生推力推動航天器的技術(shù)。美國和俄羅斯上個世紀(jì)都曾對空間核熱推進(jìn)技術(shù)開展大規(guī)模的研究開發(fā)，取得了巨大的技術(shù)成果，達(dá)到了較高的技術(shù)成熟度。

　　美國上世紀(jì)90年代以來開展空間核技術(shù)實(shí)驗研究的規(guī)模較小，力度較弱。最近，在包括核熱推進(jìn)在內(nèi)的多種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)上，美國都加大了力度。目前，美國航空航天局(NASA)和能源部(DOE)的多家實(shí)驗室正著手開展核熱火箭(NTR)及相關(guān)部件的實(shí)體試驗，近期工作的重點(diǎn)將是為設(shè)想中的2020年左右開展可縮放核熱火箭地面試驗與飛行試驗做準(zhǔn)備。再下一步的目標(biāo)則是開發(fā)一種核火箭發(fā)動機(jī)，用于載人小行星探索以及最終的載人火星探索。

　　著力開展五項工作推動核熱推進(jìn)技術(shù)開發(fā)

　　美國在核熱推進(jìn)領(lǐng)域具備廣泛的歷史試驗基礎(chǔ)。目前，適于載人用途的現(xiàn)代NTR的開發(fā)工作屬于NASA2011財年預(yù)算“先進(jìn)太空推進(jìn)”下的“探索技術(shù)開發(fā)與示范計劃”。為了啟動研究，NASA將把重點(diǎn)放在五項任務(wù)上，為地面技術(shù)示范做準(zhǔn)備。

　　第一項任務(wù)是概念建設(shè)。NASA將根據(jù)NTR的當(dāng)前狀況，確定除了目前規(guī)劃的工作外，還需開展哪些工作才能把技術(shù)推動到可接受的水平上。該項工作將成為實(shí)體試驗的指導(dǎo)原則，并確定試驗活動的優(yōu)先排序，從而將開展研究的回報最大化。其關(guān)注的是如何把一個可地面測試的NTR放大(或縮小)成為可以飛行測試并用于載人任務(wù)的NTR。

　　第二項任務(wù)將是對現(xiàn)代NTR使用的堆內(nèi)材料開展詳細(xì)的評價。NASA將在上世紀(jì)70年代開展的廣泛研究的基礎(chǔ)上開發(fā)一種新的燃料制造系統(tǒng)并完成大量試驗以選擇最終燃料形式。目前競爭的兩種燃料是1970年代為NTR開發(fā)的NERVA石墨燃料以及一種晚近開發(fā)的鎢金屬陶瓷燃料。這兩種燃料都包含鈾，能承受2500K以上的溫度以及發(fā)射時的應(yīng)力。為了理解燃料在各種條件下的行為，NASA正在馬歇爾空間飛行中心建造試驗設(shè)施“NTR元件環(huán)境模擬器”，從而為燃料開發(fā)提供至關(guān)重要的非核試驗。

　　第三項任務(wù)是對可地面測試的NTR開展核與熱流體方面的概念分析。這項分析能夠得出用來設(shè)計和建造NTR的計算機(jī)模型，還能在實(shí)體原型裝置建成以前發(fā)現(xiàn)和糾正絕大部分的概念問題，從而大幅度地節(jié)省經(jīng)費(fèi)。這一領(lǐng)域針對現(xiàn)代NTR的許多工作已經(jīng)完成，計算機(jī)代碼涵蓋的范圍和可用的專業(yè)經(jīng)驗都很廣泛。

　　空間核熱推進(jìn)技術(shù)是指利用反應(yīng)堆堆芯的熱量直接加熱輸送到反應(yīng)堆內(nèi)的推進(jìn)劑(一般是氫氣)，再使之從噴嘴膨脹噴出，從而產(chǎn)生推力推動航天器的技術(shù)。美國和俄羅斯上個世紀(jì)都曾對空間核熱推進(jìn)技術(shù)開展大規(guī)模的研究開發(fā)，取得了巨大的技術(shù)成果，達(dá)到了較高的技術(shù)成熟度。

　　美國上世紀(jì)90年代以來開展空間核技術(shù)實(shí)驗研究的規(guī)模較小，力度較弱。最近，在包括核熱推進(jìn)在內(nèi)的多種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)上，美國都加大了力度。目前，美國航空航天局(NASA)和能源部(DOE)的多家實(shí)驗室正著手開展核熱火箭(NTR)及相關(guān)部件的實(shí)體試驗，近期工作的重點(diǎn)將是為設(shè)想中的2020年左右開展可縮放核熱火箭地面試驗與飛行試驗做準(zhǔn)備。再下一步的目標(biāo)則是開發(fā)一種核火箭發(fā)動機(jī)，用于載人小行星探索以及最終的載人火星探索。

　　著力開展五項工作推動核熱推進(jìn)技術(shù)開發(fā)

　　美國在核熱推進(jìn)領(lǐng)域具備廣泛的歷史試驗基礎(chǔ)。目前，適于載人用途的現(xiàn)代NTR的開發(fā)工作屬于NASA2011財年預(yù)算“先進(jìn)太空推進(jìn)”下的“探索技術(shù)開發(fā)與示范計劃”。為了啟動研究，NASA將把重點(diǎn)放在五項任務(wù)上，為地面技術(shù)示范做準(zhǔn)備。

　　第一項任務(wù)是概念建設(shè)。NASA將根據(jù)NTR的當(dāng)前狀況，確定除了目前規(guī)劃的工作外，還需開展哪些工作才能把技術(shù)推動到可接受的水平上。該項工作將成為實(shí)體試驗的指導(dǎo)原則，并確定試驗活動的優(yōu)先排序，從而將開展研究的回報最大化。其關(guān)注的是如何把一個可地面測試的NTR放大(或縮小)成為可以飛行測試并用于載人任務(wù)的NTR。

　　第二項任務(wù)將是對現(xiàn)代NTR使用的堆內(nèi)材料開展詳細(xì)的評價。NASA將在上世紀(jì)70年代開展的廣泛研究的基礎(chǔ)上開發(fā)一種新的燃料制造系統(tǒng)并完成大量試驗以選擇最終燃料形式。目前競爭的兩種燃料是1970年代為NTR開發(fā)的NERVA石墨燃料以及一種晚近開發(fā)的鎢金屬陶瓷燃料。這兩種燃料都包含鈾，能承受2500K以上的溫度以及發(fā)射時的應(yīng)力。為了理解燃料在各種條件下的行為，NASA正在馬歇爾空間飛行中心建造試驗設(shè)施“NTR元件環(huán)境模擬器”，從而為燃料開發(fā)提供至關(guān)重要的非核試驗。

　　第三項任務(wù)是對可地面測試的NTR開展核與熱流體方面的概念分析。這項分析能夠得出用來設(shè)計和建造NTR的計算機(jī)模型，還能在實(shí)體原型裝置建成以前發(fā)現(xiàn)和糾正絕大部分的概念問題，從而大幅度地節(jié)省經(jīng)費(fèi)。這一領(lǐng)域針對現(xiàn)代NTR的許多工作已經(jīng)完成，計算機(jī)代碼涵蓋的范圍和可用的專業(yè)經(jīng)驗都很廣泛。

　　第四項任務(wù)將是開發(fā)NTR試驗設(shè)施。該設(shè)施將采用“地表以下主動過濾排氣”(SAFE)方案。該方案將利用內(nèi)華達(dá)試驗場的地下鉆井，與上世紀(jì)70年代的開放空氣試驗方法不同，將把NTR的排氣噴到地下鉆井中。由于反應(yīng)堆運(yùn)行時間短，放射性裂變產(chǎn)物數(shù)量已經(jīng)很低，但SAFE方案還將對冷卻劑流體中產(chǎn)生和釋放的放射性產(chǎn)物給予更有力的控制。為啟動SAFE試驗設(shè)施開發(fā)，NASA將在鉆井開展熱氣注入試驗，以達(dá)到?jīng)_積層(多孔巖石)滯留和過濾放射性材料的效果。

　　最后一項任務(wù)是制定在地面試驗和飛行試驗完成后NTR開發(fā)的概念計劃。該計劃的目的是保持NTR的技術(shù)水平，從而使系統(tǒng)在多年后保持可用。

　　啟動“核低溫推進(jìn)級項目”評價核推進(jìn)技術(shù)可行性

　　NASA2011年10月啟動為期3年的“核低溫推進(jìn)級項目”(NCPS)。該項目是在核熱火箭元件環(huán)境模擬器(NTREES)上開展非核試驗，目標(biāo)是評價核熱推進(jìn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可承受性和技術(shù)可行性。其設(shè)想了“核低溫上面級”的液態(tài)氫推進(jìn)劑在發(fā)射時被冷卻到超低溫，并在航天器到達(dá)安全軌道后才啟動，推動航天器飛往遙遠(yuǎn)目的地。

　　該項目由一個約50人的大型團(tuán)隊開展，并有小額的硬件采購與實(shí)驗費(fèi)用。該項目主要內(nèi)容包括：NCPS預(yù)概念設(shè)計與架構(gòu)整合；開發(fā)大功率(～1MW)核熱火箭元件環(huán)境模擬器(NTREES)；NCPS燃料設(shè)計與試驗；在NTREES上開展NCPS燃料試驗；經(jīng)濟(jì)可承受NCPS的開發(fā)與鑒定策略以及第二代NCPS概念。NASA認(rèn)為，NCPS項目取得的進(jìn)展將推動核熱推進(jìn)與核電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

　　NCPS預(yù)概念設(shè)計與架構(gòu)整合

　　NCPS將與空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)相整合，并調(diào)動目前正為SLS開發(fā)的技術(shù)和配置。NCPS設(shè)計的重點(diǎn)將是，確保最大程度地有利于載人火星任務(wù)，盡管該技術(shù)將具備大量其他用途。NCPS的兩種主要候選燃料是鎢合金陶瓷和復(fù)合材料燃料，二者都有廣泛的開發(fā)歷史。

　　開發(fā)大功率核熱火箭元件環(huán)境模擬器

　　NCPS的主要風(fēng)險是穩(wěn)定燃料形式的開發(fā)。燃料在熱氣體環(huán)境中的質(zhì)量損失對燃料的壽期與性能具有很大限制。因此，1MW核熱火箭元件環(huán)境模擬器(NTREES)試驗室的建成是NCPS的主要里程碑項目。NTREES設(shè)施還包括一個電弧加熱器和一個緊湊熱氫氣試驗室，其目的是開展核熱火箭燃料元件和燃料材料的真實(shí)環(huán)境非核試驗。1MWNTREES試驗室在全面運(yùn)行后，就能對燃料元件和材料展開試驗，流動氫氣壓力可達(dá)1000psi，溫度能超過3000K，通道功率密度接近原型堆。

　　NTREES設(shè)施已獲得對含有貧化鈾的燃料進(jìn)行試驗的許可證。設(shè)施安裝的一套高溫計用于測量燃料溫度曲線，一臺質(zhì)譜儀用于評價燃料性能并評估試驗期間燃料元件的潛在材料損失。NTREES的推進(jìn)劑來自于設(shè)施外部的貯氣拖車，能實(shí)現(xiàn)任何時間長度的連續(xù)、不間斷試驗。NTREES設(shè)施還包括電弧加熱器，能讓溫度高達(dá)3160K的氫氣流經(jīng)材料或燃料樣品約達(dá)30分鐘，這對預(yù)先檢查材料樣品特別有用。另外，還有一個能夠開展高溫燃料樣品試驗的緊湊試驗室。

　　該項目還將對NTREES內(nèi)的能量沉積與熱傳輸過程以及對材料力學(xué)和流體/材料相互作用產(chǎn)生詳細(xì)理解，從而更好地改進(jìn)未來試驗條件，獲得盡可能多的信息，以便精確地將非核試驗的數(shù)據(jù)外推到真實(shí)反應(yīng)堆條件下。

　　NCPS燃料設(shè)計/制造

　　早期的燃料材料開發(fā)對未來探索計劃的需求核實(shí)以及技術(shù)、費(fèi)用、進(jìn)度風(fēng)險最小化來說至關(guān)重要。NASA和DOE已經(jīng)聯(lián)合開展了多個核電源與推進(jìn)技術(shù)項目，而這一合作將在NCPS項目繼續(xù)下去。

　　這部分的工作重點(diǎn)是鎢金屬陶瓷和復(fù)合材料燃料?，F(xiàn)代制造技術(shù)(熱等靜壓和脈沖電流)將被用來示范良好潛在性能金屬陶瓷元件的制造。復(fù)合材料燃料元件制造的重點(diǎn)是包覆材料，以防止燃料在高溫流動氫氣環(huán)境下的損失，并使可允許的運(yùn)行溫度達(dá)到最高。其他ROVER/NERVA計劃期間開發(fā)和試驗的燃料也將得到評估，包括碳化物燃料和含小球的石墨燃料。

　　NCPS燃料在NTREES中試驗

　　NTREES試驗的范圍從燃料樣品試驗(利用小試驗室)到接近原型的燃料元件試驗。試驗的主要目的是論證燃料性能的充分性，提高在核試驗以前對燃料系統(tǒng)設(shè)計的信心(如材料、包覆和幾何)。

　　經(jīng)濟(jì)可承受NCPS開發(fā)與鑒定策略

　　這部分工作的重點(diǎn)是確保NCPS整體的經(jīng)濟(jì)可承受性。NCPS的開發(fā)和鑒定試驗是潛在的成本動因，需要強(qiáng)調(diào)的潛在策略至少有兩個。第一是利用內(nèi)華達(dá)試驗場現(xiàn)有的鉆井對核熱火箭發(fā)動機(jī)開展靈活的和經(jīng)濟(jì)可承受的試驗。第二是利用高度儀表化的示范飛行，包括對NCPS發(fā)動機(jī)進(jìn)行大量運(yùn)行后檢查的可能性。這兩種策略都有顯著降低費(fèi)用的前景。

　　第二代NCPS概念

　　項目組將設(shè)計并評估潛在第二代NCPS概念?，F(xiàn)代材料和制造技術(shù)將使NCPS比沖超過1000s(第一代為900s以上)，并有較高的推力-重量比。采用變革性的全新設(shè)計方法還將得到更高的性能指標(biāo)。這項任務(wù)下開展的工作將設(shè)計新概念，并考慮近期材料和技術(shù)方面的進(jìn)展，對現(xiàn)有概念進(jìn)行再評估。這部分工作還將探索利用裂變系統(tǒng)獨(dú)特屬性的新方法，這類方法包括直接利用太空中的揮發(fā)性物質(zhì)作為NTP推進(jìn)級，這項任務(wù)還將納入極高性能雙模式核熱與核電推進(jìn)(BNTEP)的系統(tǒng)概念。