去年12月11日，特朗普正式簽署了國(guó)家太空委員會(huì) 1 號(hào)令，指令的核心內(nèi)容為：將力促讓人類重返月球，并且為今后的載人登陸火星做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

進(jìn)軍火星涉及重型運(yùn)載、落火、返回等諸多關(guān)鍵技術(shù)，但要解決人類在火星上生活的首要問(wèn)題就是供電。

特朗普簽署國(guó)家太空委員會(huì)一號(hào)令

人類要實(shí)現(xiàn)在火星等外星球長(zhǎng)期駐扎，一個(gè)可靠而有效的電力系統(tǒng)是必不可少的：日常生活必需的照明、飲水、供氧等都需要電力，完成特定的太空實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)返程用的燃料等更離不開(kāi)穩(wěn)定、持續(xù)的電力系統(tǒng)。

外星球基地設(shè)想圖

現(xiàn)有供電系統(tǒng)的電能來(lái)源主要有三種：化學(xué)能、太陽(yáng)能和核能，他們有著各自的優(yōu)勢(shì)，并分別適用于不同的任務(wù)需求?；瘜W(xué)能電池更適用于短期、高功率任務(wù)?；瘜W(xué)電池能夠在小時(shí)級(jí)任務(wù)中，提供高達(dá) 6 萬(wàn) kW 的電功率，但當(dāng)任務(wù)周期延長(zhǎng)至 1 個(gè)月時(shí)，其只能提供千瓦以下電功率，因此化學(xué)電池通常用于執(zhí)行短期任務(wù)的返回式航天器上。太陽(yáng)能電池適用于中長(zhǎng)期、中低功率任務(wù)。太陽(yáng)能本身不能提供瞬間大功率輸出，能量密度也有限，其在 10～50 kW 功率量級(jí)時(shí)效率最高，同時(shí)具有較長(zhǎng)的使用壽命，因此太陽(yáng)能電池通常服務(wù)于光照條件良好、中等功率水平的中長(zhǎng)期任務(wù)，例如絕大多數(shù)長(zhǎng)期任務(wù)的衛(wèi)星多數(shù)都采用太陽(yáng)能電池提供電力。

核能電源包括兩種：一種是是放射性同位素電池，另一種是空間核反應(yīng)堆電源。放射性同位素電池輸出電功率較小，通常在百瓦級(jí)以下，但可長(zhǎng)周期連續(xù)提供電力，特別適合于光照條件不好、功率需求不高的長(zhǎng)周期無(wú)人深空探測(cè)及星表探測(cè)任務(wù)，例如 NASA 的卡西尼號(hào)、新地平線號(hào)、好奇號(hào)火星車等偉大成就都依賴于放射性同位素電池?？臻g核反應(yīng)堆電源則可以為不同功率需求的任務(wù)提供長(zhǎng)期電力供給，然而考慮到綜合效費(fèi)比，通常將其應(yīng)用在中高功率（大于10kWe）需求的航天任務(wù)。據(jù)計(jì)算，在 30Kw功 率以上，空間核反應(yīng)堆的能量密度優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)，能夠比同等功率的太陽(yáng)能電池板具有更低的發(fā)射質(zhì)量。

火星探索是長(zhǎng)期的航天任務(wù)，排除了僅用于短期任務(wù)的化學(xué)能，只剩下太陽(yáng)能電池和核能有施展的空間。但是在火星上，太陽(yáng)能在各個(gè)季節(jié)變化很大，不能提供穩(wěn)定的電能來(lái)源；火星上頻繁的沙塵暴可能持續(xù)數(shù)月，沙塵覆蓋在太陽(yáng)能電池板的表面將直接影響發(fā)電效率；火星的夜晚會(huì)超過(guò) 12 個(gè)小時(shí)，晝夜交替也限制了太陽(yáng)能電池板的應(yīng)用。跟火星類似的是，月球上長(zhǎng)達(dá) 14 個(gè)地球日的月夜也會(huì)嚴(yán)重影響到太陽(yáng)能的利用。

遭沙塵覆蓋的太陽(yáng)能電池板

與太陽(yáng)能電池相比較，空間核反應(yīng)堆電源的優(yōu)勢(shì)在于其為自主電源，不依賴于陽(yáng)光等外界條件，能夠從容應(yīng)對(duì)火星上復(fù)雜的氣候環(huán)境，可以全天時(shí)、全天候工作。其次，適用功率范圍廣，可以覆蓋千瓦至兆瓦級(jí)功率輸出，可以有效滿足航天任務(wù)日益增長(zhǎng)的能源需求。另外，功率密度大，質(zhì)量功率比隨功率增長(zhǎng)而降低，且功率越大，質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)越明顯，非常適合于火星長(zhǎng)期駐扎這種大功率的航天任務(wù)。不過(guò)，空間核反應(yīng)堆電源也具有技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)周期長(zhǎng)、投資高的特點(diǎn)，存在并需要解決輻射防護(hù)和核安全等特殊問(wèn)題。

2018 年 1 月 18 日，NASA 在內(nèi)華達(dá)州開(kāi)展的 Kilopower 緊湊型核電源測(cè)試取得成功。Kilopower 是 NASA、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Y12 國(guó)家安全綜合體等機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的小型核反應(yīng)堆，使用 U235 作為核燃料，可產(chǎn)生 1-10 千瓦的電力，并可連續(xù)使用十年之久。1 個(gè) Kilopower 電源能夠滿足兩個(gè)普通家庭連續(xù)使用10年的供電需求，四個(gè)該型電源就能支撐建立一個(gè)火星基地了。

該反應(yīng)堆電源使用鈾鉬合金堆芯，反應(yīng)堆熱量通過(guò)無(wú)源鈉熱管傳遞，由斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，將熱能轉(zhuǎn)化為電力。其主要結(jié)構(gòu)如下圖示，最下方的堆芯包裹在氧化鈹制成的中子反射層中間，由碳化硼控制棒進(jìn)行反應(yīng)堆啟?？刂?，控制棒移出堆芯后，快中子反應(yīng)堆的裂變反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行并放出熱量。

Kilopower 結(jié)構(gòu)示意圖

堆的上方是由氫化鋰和鎢制成的影子屏蔽體，能有效屏蔽堆芯輻射，將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的輻射劑量減弱至有效載荷和宇航員可接受的水平。堆中的熱量通過(guò)無(wú)源鈉熱管傳到上方的八臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。

Kilopower 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖

發(fā)電剩余的熱量則通過(guò)最上方能夠展開(kāi)的鈦水熱管輻射散熱器散出。輻射器在政策工作時(shí)是需要展開(kāi)的，以增大面積，提高散熱效率，下圖是輻射散熱器展開(kāi)過(guò)程中的狀態(tài)圖。

輻射散熱器的展開(kāi)過(guò)程圖

四個(gè)Kilopower聯(lián)合工作的示意圖

目前，NASA 正在與美國(guó)能源部合作進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試將持續(xù)到明年年初。今年 3 月底將進(jìn)行連續(xù)約 28 小時(shí)的滿功率測(cè)試，以解決諸多技術(shù)問(wèn)題，并將技術(shù)成熟度提升至第 5 級(jí)。

美國(guó)空間核反應(yīng)堆電源的發(fā)展歷程可分為幾個(gè)不同階段：

第 1 階段是 20 世紀(jì) 50—70 年代的初創(chuàng)階段。美國(guó)在這個(gè)時(shí)期以核輔助電源系統(tǒng)計(jì)劃（SNAP）為中心開(kāi)展了大量的概念設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)活動(dòng)。1965 年 4 月，美國(guó)將電功率為 500 W 的 SNAP-10A 成功送入太空，運(yùn)行43天后被永久關(guān)閉。SNAP-10A是世界上第一個(gè)發(fā)射至空間的核反應(yīng)堆電源，也是迄今美國(guó)唯一發(fā)射的空間核反應(yīng)堆電源。由于國(guó)防需求不明確以及太空任務(wù)優(yōu)先順序的調(diào)整，美國(guó)政府于 1973 年終止了空間核反應(yīng)堆電源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)投入。

第 2 階段是 20 世紀(jì) 80 年代初至 90 年代初的復(fù)興階段。在「星球大戰(zhàn)」計(jì)劃及太空探索倡議計(jì)劃的支持下，美國(guó)空間核反應(yīng)堆電源研究開(kāi)發(fā)得以復(fù)蘇，開(kāi)展了以 SP-100 計(jì)劃為主的研發(fā)工作，后因政府優(yōu)先任務(wù)再次調(diào)整和投資削減再次陷入低潮。

第 3 階段是 21 世紀(jì)初至今的新時(shí)代。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，美國(guó)吸取以往經(jīng)驗(yàn)，更加注重于利用已有成熟技術(shù)降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，并縮短研發(fā)周期。其重點(diǎn)計(jì)劃包括為未來(lái)星球基地供電的「經(jīng)濟(jì)可承受星表裂變電源計(jì)劃（AFSPS）」以及「千瓦級(jí)電源計(jì)劃 Kilopower」。2013 年，美國(guó)完成了 AFSPS 的部件和子系統(tǒng)的研制與測(cè)試，2015 年完成了非核集成演示工作。Kilopower 則作為同位素電池的備用以及填補(bǔ)同位素電池（千瓦以下）和 AFSPS（數(shù)十千瓦級(jí)）之間的功率空當(dāng)，目前已經(jīng)取得了原型堆測(cè)試的初步成功。

Kilopower 原型堆測(cè)試的成功，標(biāo)志著美國(guó)空間核反應(yīng)堆的發(fā)展螺旋上升到了一個(gè)新的歷史階段。在這個(gè)階段中，美國(guó)拋棄了與蘇聯(lián)惡性競(jìng)爭(zhēng)、盲目拼指標(biāo)的發(fā)展理念，更加注重降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，并同步推進(jìn)兩個(gè)不同功率級(jí)別的空間核反應(yīng)堆研究，以應(yīng)對(duì)未來(lái)同位素電池的減產(chǎn)，同時(shí)滿足未來(lái)不同功率級(jí)別的航天任務(wù)需求。隨著特朗普重返月球、進(jìn)軍火星戰(zhàn)略的實(shí)施，太空委員會(huì)發(fā)揮主導(dǎo)作用逐漸顯現(xiàn)，美國(guó)的空間核反應(yīng)堆技術(shù)必將迎來(lái)下一個(gè)發(fā)展的黃金時(shí)期。