《星战7》已然霸气来袭，令无数星战迷激动不已的是千年隼宇宙飞船的回归。它曾是反抗军对抗帝国几场伟大胜利中决定性因素之一，这样一艘传奇般的飞船引起大家的迷恋，也使得“亚光速引擎”、“曲速引擎”等科幻作品中常用的一些概念再度火热起来。然而现实情况可能对此泼了一盆冷水，在2015年3月NASA网站曾刊登一篇名为《曲率引擎是真的？》的文章，认为在当前技术条件下利用曲速引擎实现光速旅行是不可能的。因此，目前曲速引擎仍然是一个假设，一个数学模型，距离实现还有非常遥远的距离。从科幻回到现实，目前那些穿梭在星际间的飞行器是靠什么驱动的呢？

曲速引擎概念

1. 太空探索的主要能量来源有哪些？

目前主要来源于三种：化学能，太阳能和核能。

化学能包括两种，一种是靠燃烧肼燃料来驱动交流发电机发电；另一种是燃料电池靠消耗氢氧产生电能。

太阳能也包括两种，一种是光能转换电能，以光电帆板构成的发电系统为代表；另一种是太阳能转换电能，以太阳能发电机为代表，利用太阳能反射镜加热涡轮机中降压膨胀液体，从而驱动交流发电机发电。

核能也包括两种，一种是放射性同位素电池，利用衰变热通过热电偶转换成电能，另一种是空间反应堆，利用反应堆产生热量，通过冷却剂传输热量到热电转换单元，进行发电。

值得指出的是，就在前几天，美国朱诺号打破依靠太阳能提供能源的探测器最远航行记录，而在朱诺号之前，有8艘人类的探测器（先驱者10号、11号、旅行者1号、2号、尤利西斯号、伽利略号、卡西尼号、新视野号）拜访过木星，它们使用的都是核能。

朱诺号

与太阳能电池相比，空间反应堆不依赖太阳光，体积小，抗辐射能力强，是深空探测器的理想电源；与化学能和同位素电池相比，空间反应堆核燃料单位质量的能量高，很少一点核燃料即可供反应堆电源工作10年甚至数十年，可满足长期、远程航天飞行的需求。所以本文重点介绍空间反应堆。

空间电源的适用范围

空间反应堆释放出的热能，通过热电转换装置转换为电能，它分为静态热电转换系统和动态热电转换方式两类。静态热电转换方式的主要特点是不含活动部件，结构简单，工作可靠，但转换效率低。主要包括温差（热电偶）转换，热离子转换和碱式金属热电转换器（AMTEC）。

三种静态转换工作原理

动态热电转换系统的工作原理就是“烧开水”，用核反应堆产生的热能来加热流体工质，产生高温高压气体，推动涡轮发电机发电。按流体工质热力学循环工况的不同，它又分为斯特林循环、朗肯循环和布雷顿循环，转换效率分别在 10%至20%之间。

2. 空间堆有怎样的发展历程？

俄罗斯、美国、法国、德国和日本等国从20世纪60年代起就开始开展空间堆的研究，目前只有美国和俄罗斯进行了实际发射。截至目前为止，俄罗斯共发射了37个使用空间堆供电的航天器；美国发射过1个类似装置。

前苏联在20世纪50年代末就开始研究太空反应堆电源。1964年8月研制成 ROMASHKA型核反应堆堆温差发电器，完成了地面试验，运行15000小时。它采用铀U235作燃料，石墨固体直接导热和温差转换发电，电功率为0.45kWe，总重508kg。

Romashka反应堆

在1966年前苏联研制成功BUK反应堆电源。BUK型电源的反应堆是NaK合金冷却的快堆，采用温差转换发电，电源热功率100kWt，电功率 2.5kWe，总重900kg。设计寿期6个月。

BUK空间反应堆堆芯（左）和反应堆结构（右）

目前前苏联/俄罗斯已经有30多个BUK型温差转换空间核反应堆电源成功地应用在宇宙飞船的海上雷达观测。

1987至1989年， 前苏联研制开发了著名的TOPAZ 系列反应堆热离子发电器。 其中，TOPAZ-1核反应堆输出功率5至10千瓦，转换效率5.8%， 总重1吨， 携带11.5公斤U235，最长工作寿命达 1年。前苏联于1987年分别发射了载有TOPAZ-1反应堆电源的宇宙-1818航天器和宇宙-1867航天器。前者实际在轨工作时间为143天，后者在轨工作时间接近1年。

TOPAZ-1空间反应堆

TOPAZ-1 空间反应堆结构

TOPAZ-2相比较于TOPAZ-1更先进。它和TOPAZ-1的主要区别在于结构简单，易于拆卸，更换简单。TOPAZ-2反应堆的堆芯由37根热离子燃料元件（TFE）、ZrH慢化剂、反射层以及12个旋转控制鼓组成。

TOPAZ-2空间反应堆

TOPAZ-2 反应堆堆芯

TOPAZ-1和TOPAZ-2 热离子元件对比

由于TOPAZ-1在太空中的成功运行，连美国也向前苏联购买了TOPAZ-2核电源。美国购买TOPAZ-2主要是为了对热离子空间反应堆技术的研发，但是美国对于热离子发电一直未研制成功。

1955年，美国开展空间核动力计划，开始了SNAP系列空间核动力技术的研究（偶数代号尾数为核反应堆系统，奇数代号尾数为同位素电池）。

20世纪60年代开始，美国先后开展了SNAP-2、SNAP-8、SNAP-10A、SNAP-50等一系列的空间核反应堆电源设计研究。1965年SNAP-10A空间核反应堆电源的研制成功，是世界上第一个也是美国唯一一个被送入太空的核反应堆电源。SNAP-10A的反应堆为液态NaK合金冷却的热堆，采用U-ZrHx燃料，热电材料为SiGe合金，总重约650kg（除去屏蔽体部分），热功率30kWt，可以产生0.5kWe的电功率，转换效率1.6%。

1980s开始，美国国防部战略防御办公室为了应对前苏联洲际弹道导弹的威胁，提出了SP100的空间核反应堆计划，旨在发展可为天基防御系统提供大于100kW电功率的空间核反应堆，可满功率运行7年。NASA根据未来月球和火星基地的建设需求，也加入了此计划。

1994年，SP100项目停止。但是SP100系列的核反应堆系统已经进入了详细的设计制造与鉴定阶段。其中SP-100空间核反应堆电源研究，设计了多种热电转换方案，其中采用温差转换方案的SP-100电源的反应堆为液态金属锂冷却的快堆，废热采用钾热管辐射器排放，设计寿期7~10年。SP-100采用富集度97%的UN燃料，热功率2.5MWt，可产生大于100kWe的电功率，转换效率4.4%。系统总重4600kg，比功率约为23.5 We/kg。

2003年1月， 美国总统布什批准了美国航空航天局提出的“普罗米修斯”计划，初步打算今后5年内投资10亿美元，重新开发太空核动力推进系统。其中包括了支持研制空间核反应堆电源在内的安全、可靠、长寿命、健壮的动力系统，支持未来的空间探索任务。

“普罗米修斯”计划目前正在评估三种空间核反应堆电源系统：

Ø  液态金属冷却核反应堆

Ø  直接气冷反应堆

Ø  热管冷却反应堆

三种空间反应堆

“普罗米修斯”计划以来，美国先后进行了多种先进空间反应堆概念设计，包括了液态金属（NaK合金、Na或K）冷却的Sectored, compact reactor (SCoRe)空间核反应堆，热管冷却HP-STMCs空间核反应堆，热管冷却SAIRS空间反应堆和直接气体（氦氙混合气体）冷却Submersion-subcritial, safe space (S^4)空间反应堆。但目前这些仍然只停留在概念阶段。

3. 核动力在太空探索中的前景如何？

随着航天事业的不断发展，航天飞行器对电源的要求越来越高，特别是对功率的需求越来越大。从刚开始的几十瓦到现在的几十千瓦，有专家估计，每过十年电源功率需求便会翻一番，但是按照当前科学技术的发展以及太空探索的需求，功率需求的增长速率会更快。目前，太空核电源正朝着大功率（数百至数千千瓦）、长寿命（10至15年） 方向发展，但是更多的先进空间反应堆仍然处于概念设计，其后还有很长的路需要走。

核能作为太空飞行的电力来源已经获得了应用，但核能作为太空旅行的动力和推进来源也有非常广阔的前景。目前化学燃料的火箭推力大但持续力太低（即比冲低），导致每次发射时都必须寻找合适的发射窗口，以便利用行星的引力来加速。核能的高能量密度有可能改变这一现状。各国尽管有不少的计划，比如美国50年代末的"猎户座"计划、NERVA项目和英国的代达罗斯计划等，但都未能进入实用化阶段。本文篇幅有限不能对其做一个全境的介绍，但笔者想特别提到的是美国NERVA项目，其NERVA NRX引擎能产生75，000磅（333.6kN）的推力，真空比冲高达850秒，并成功进行了测试，第一台NERVA NRX连续运行了将近2个小时，包括28分钟的全推力运行。但是随着上世纪70年代NASA经费削减，该引擎随同有着更大的功率（4000 MW）、更高的功率密度和更长效的燃料的后续引擎都被终止了。

核动力用于太空推进动力依然面临很多的困难和挑战，但借用推动美国登月计划的肯尼迪总统的话“我们选择在这个十年内登月或做任何别的事情不是因为他们容易，而是因为他们充满挑战。”尽管面临困难，人类探索太空的步伐不会停止，核动力在太空探索的应用也不会停滞。