俄羅斯星際飛行計劃之《核動力太空拖船》

今天，俄羅斯正在執行一項野心勃勃的任務——建立一個獨特的核電推進系統(通常也被稱為運輸動力模塊(TEM))，並建造基於該系統的「核子」(Nuclon)空間綜合設施，用於執行對太陽系遙遠行星探索任務。如果這一想法得以實施，這將是有史以來首次為俄羅斯和整個地球通往深空開闢道路。

塔斯社於2020年9月16日發布有關該項目的官方報告指出，俄羅斯國家航天集團公司(Roscosmos)先進計劃及科學部負責人亞歷山大·布洛申科(Alexander Bloshenko)表示，到2020年年底，將籤署一項合同，為名為「核子」(Nuclon)的太空綜合體開發初步設計。該綜合體的基礎將是基於現有開發的開放式架構的TEM。該產品是用於運輸各種有效載荷並執行複雜科學任務的「太空拖船」。

基於兆瓦級核動力推進系統的運輸動力模塊(TEM)空間應用領域

建造意義

俄羅斯核動力太空拖船項目始於2010年，旨在增強深空運輸大型貨物的能力，以及用於在太陽系的其他行星上建立永久性基地。俄專家認為，核動力空間拖船的建造將使俄羅斯在實施大型月球探索和開發項目時，能夠與美國和中國平等對話。

眾所周知，美國和中國正在制定大型月球探測計劃，俄羅斯無法單獨實施類似項目，但可以充分參與國際協作。對俄羅斯來說，與國際合作夥伴平等交談的唯一機會是在月球開發計劃中加入俄羅斯正在研製的核動力太空拖船。在這個方向上，俄羅斯領先於合作夥伴很多年。俄羅斯國家航天集團公司(Roscosmos)第一副總裁尤裡·烏利希奇在莫斯科舉辦的空間學術會議上表示，計劃在2030年前將一艘核動力太空拖船送入軌道，開展飛行試驗。之後，俄羅斯將開始批量生產這種太空拖船，並將其用於商業用途。

太空拖船概念圖

任務及進展

2020年10月12日，俄國家採購網站上發布的俄國家航天集團(Roscosmos)的材料顯示，俄羅斯計劃為飛往太陽系行星的核動力太空拖船研製工作花費42億盧布。根據Roscosmos計劃時間表，2020年的研製工作將花費1億盧布;2021年為9億盧布，2022年及隨後幾年分別為12.4億盧布和19億盧布。

該研製工作指的是在「核子」(Nuclon)試驗設計工作框架內製造攜帶基於兆瓦級核動力裝置的運輸動力模塊(TEM)的空間綜合設施的初步方案。該核動力拖船計劃用於飛往太陽系其他行星。Roscosmos表示將在2020年底前籤署一份包含一艘核動力電推太空拖船在內的Nuclon空間綜合設施設計合同。

基於兆瓦級核動力發動機裝置的運輸動力模塊(TEM)

亞歷山大·布洛申科表示，按照計劃，到2030年，核動力拖船將飛往木星的一顆衛星。同時，他強調這將是一次全面的科學考察，而不是試飛。核動力拖船將在2030年升空並進行飛行試驗之後開始批量生產並用於商業用途。

根據飛行計劃，在任務的第一階段，拖船將與有效載荷模塊停靠在太空中，併到達月球，對其進行探測並將一顆研究衛星留在其軌道上。在第二階段，太空拖船和有效載荷模塊將飛往金星，並在通向行星的途中，可以進行向拖船加燃料(氙氣)測試。在金星上，一顆研究衛星也將從有效載荷模塊中分離出來，而拖船本身與其餘的科學設備將進行引力機動，並進入飛行任務的第三階段，飛向終點-木星衛星，並對其進行研究。

從結構上講，拖船將是具有開放式體系結構的運輸動力模塊。它的主要特徵是能夠長時間從兆瓦級核反應堆自主產生能量，以及具有運輸各種有效載荷的能力。反應堆將通過滴水式冷卻器-輻射器進行冷卻。該船將配備容量為32～35kW的ID-500離子推進發動機和機動發動機。

值得注意的是，自1970年代以來，科羅廖夫能源火箭航天集團(RSC Energia)和許多企業一直在進行用於製造軌道間拖船的核動力裝置的開發。2009年，在德米特裡·梅德韋傑夫(Dmitry Medvedev)的積極推動下，這項工作得到了加強。2010年該項目正式啟動。Roscosmos在其2018年年度報告中稱，有關基於兆瓦級核動力推進裝置的太空拖船的第一個項目已完成。該拖船將用於在深空運輸貨物，包括未來在行星上設立基地時運輸物資。2019年，該拖船的模型首次在2019年國際航空航天沙龍(2019-MAKS)上Roscosmos展館的軍火庫設計局(KB Arsenal)展臺上展出。在過去的十年中，它一直是俄羅斯太空計劃中一個先進研發項目。

莫斯科MAKS-2019航展上的一個兆瓦級核動力發動機裝置模型

目前，Roscosmos正在基於兆瓦級核動力發動機裝置製造TEM。2018年10月，對核動力發動機裝置的冷卻系統進行了地面測試;同年12月，凱爾迪什(Keldysh)研究中心的科學主任Anatoly Koroteev宣布了在露天場所進行測試的準備工作。2019年8月，Roscosmos稱其已經開發了設計文檔並測試了TEM模型的組件。2020年9月3日，俄羅斯軍火庫設計局(KB Arsenal)開始組裝核動力拖船。

冷卻系統輻射器板

此外，為製造太空拖船，2030年將在東方航天發射場建成並投入使用一個技術綜合體。

固定冷卻系統的桁架

防護屏

摺疊桁架

儀器設備艙段，下方有離子推進器

核拖船的技術特點

核拖船的工作原理如下：核反應堆放置於飛船艏部，該反應堆加熱到1600攝氏度的溫度並產生熱量。藉助俄羅斯凱爾迪什研究中心研製的布萊頓循環運行的渦輪機啟動發電機，將機械能轉化為電能。電能在4個直徑為450毫米的大功率離子推力器中產生等離子體，從而使整個結構緩慢而長時間地加速。

• 太空核動力發動機裝置(ЯЭДУ)技術

俄羅斯的太空拖船，目前是世界上獨有的一種空間項目，技術也十分獨特，涉及到了大量科學技術以及材料工藝。其太空核動力發動機裝置(ЯЭДУ)的主要組件包括核反應堆(РУ)，產生熱能;能量轉換系統(СПЭ)，可將熱能轉換為電能;電能轉換系統(СПРЭЭ)，用於轉換СПЭ產生的電能並將其分配給使用部件;等離子體電火箭推進裝置(ЭРД)，包括主ЭРД和太空飛行器定向ЭРД，以產生推力並控制太空飛行器運動的方向;排熱系統(СОТ)，將零件和組件中熱量排放到周圍空間中;自動控制系統(САУ)，根據指定的算法控制核動力發動機裝置。太空飛行器中核動力系統的運行原理是，核反應堆會產生熱能，然後利用渦輪機將其轉化為電能。這是大功率等離子發動機和相關設備通電所必需的步驟。

太空核動力發動機裝置(ЯЭДУ)的基本組成

• 離子發動機

化學發動機不適合空間探索任務，其每次飛行都會浪費大量昂貴的燃料。為了減少浪費的燃料量，有必要成比例地增加來自發動機的物質的流量。目前唯一的解決方案是離子推進器。

但是，電動機需要大量電力才能實現高速噴射。因此，迄今為止，僅在小型太空飛行器和衛星上安裝了離子發動機，而太陽能電池板抵消了校正軌道所需的能源消耗。但是TEM將重約20～25噸，而且它的這種「太陽板」不會拉伸。因此需要開發一種緊湊型核反應堆，以供整個拖船發動機組使用。

最初的計劃包括16臺發動機，每臺發動機的功率約為60kW。因此，它們在一起將為整個模塊提供900～1000kW的功率。但是並未採取這種措施，發動機壽命減少了兩倍。現在，每個發動機的額定功率為32～35kW，而其數量增加到24個。但是總功率卻下降到800kW。

最終開發出的ID-VM並沒有基於根本上的新原理，但是即使是這樣的水平也是一個突出的貢獻，因為超過現代同類產品4～5倍。

離子發動機ID-VM

• 反應堆

別拉雅爾斯克核電廠的地面快速中子反應堆的研製者曾參與該項目核反應堆研製。但是最終未能使用碳氮化鈾作為燃料，原因不清，但據稱，該燃料可能導致不可預測的後果並破壞太空中的TEM。所以研發人員決定採用氧化鈾UO2，一種與碳氮化鈾具有同樣高效性的燃料。

年復一年，Rosatom的多列扎利動力工程科研設計院(NIKIKET)開始公布其所取得的成果。2013年，開始了核動力裝置的詳細設計；2014年，對反應堆控制系統及第一個核燃料元件(TVEL)進行了測試；2015年，完成了核裝置殼體的技術測試。

需要指出的是，殼體的獨特結構材料能夠確保反應堆運行超過10萬小時，即大約11至12年。到2016年，NIKIKET開始對大型反應堆堆芯模擬器進行測試；到2017年8月，宣布該項目已準備就緒。

• 滴水式冷卻器

拖船中同樣重要的結構應該是新型的滴水冷卻器-輻射器。長期以來，即使開發人員自己也不相信他們可以開發這種技術。因此，與其同時研究的還有平板式冷卻器。因此，開發人員設計出基於不同冷卻方式的兩種拖船圖紙的模型。

但是在2015年，為了確認新型冷卻原理，在國際空間站成功進行了Kaplya-2實驗。這使Roscosmos看到了仍然有可能製造出緊湊型拖船的希望。

但是後續沒有有關此部分項目的更多信息。這意味著出現了延誤，Keldysh中心無法解決某些問題。

(圖中從左至右分別為核反應堆、輻射防護、轉換器、水冷卻器-輻射器、滴水冷卻器-輻射器)

• 運輸動力模塊(TEM)

當其他企業開展該項目的局部特定部分時，RSC Energia必須組裝某種原則上不存在的特殊太空飛行器。考慮到太空飛行器在外層空間和地球磁場以外的輻射帶中不受控制的十年工作，要求設計人員組裝成熟太空飛行器中固有的所有元素。管道、桁架、太陽能電池板、水滴冷卻器-輻射器，所有這些都應在拖船進入軌道後獨立自主展開。這種情況下的任何缺陷都可能導致系統故障和昂貴的核模塊丟失。而且，為了適合「Angara-A5」，TEM被限制在22噸的質量。這是整個項目的主要問題所在。

運輸動力模塊(TEM)結構、技術指標及用途

為了製造這樣的設備，需要長久測試、系統研究、大量的財務投資以及放棄安加拉。而拖船將在2030年才發射，屆時將製造出新的超重型火箭。到那時，很有可能在Keldysh中心對他們的離子發動機進行改裝，而Rosatom已經開始使用新的燃料，完整的TEM將被發射到太空中。

項目研製參與機構

太空核動力拖船項目是由俄國家航天集團(Roscosmos)及俄羅斯國家原子能集團(Rosatom)的眾多下屬分支企業合作研製，從2010年至2020年10間已取得許多研究成果。

基於兆瓦級核動力發動機裝置的運輸動力模塊(TEM)的研製組織結構

核動力發動機裝置的總執行者是凱爾迪什(Keldysh)研究中心，反應堆的製造商是Rosatom的多列扎利動力工程科研設計院(NIKIKET)。RSC Energia承諾自行製造太空飛行器，並在其上安裝反應堆。能量轉換系統和離子發動機由凱爾迪什研究中心負責。擬議的反應堆設計的主要特徵是使用一種特殊的冷卻劑-氦氙混合物，該混合物在高溫氣冷快中子反應堆的主迴路中運行。

值得注意的是，2020年4月29日，國防採購網顯示，由於Keldysh中心的試驗臺發生故障不可用，未能按時完成旋轉磁等離子體發動機的研製工作，根據計劃，該發動機的可操作性將於2020年3月30日得到確認。Roscosmos暫停了該項目，並終止了與Keldysh中心之間的合同。但2020年6日，德米特裡·羅戈津宣布該項目仍在進行中，已移交給KB Arsenal設計局。

核動力發動機裝置動力模塊組成中的反應堆裝置研製試驗設計工作的組織結構

2019航展TEM展品

俄羅斯仍在繼續開發具有兆瓦級核動力推進系統(核動力發動機裝置)的運輸能源模塊(TEM)。這種適合操作的模型的出現，將嚴重影響國內外航天學的進一步發展。同時，TEM處於設計階段，2019年航展向公眾展示的最新的TEM模型與先前演示的版本明顯不同，顯示了新的TEM布局，反映該項目的當前設計外觀，但保留了某些功能。特別是，保留了單元布局和設計方法的一般規定。同時，存在許多特徵差異。

原型模塊的最大元素是具有圓形橫截面的伸縮四節桁架，它是安裝組件的基礎。它的頭部裝有圓錐形的桁架和封閉的隔間。桁架的側面是六個冷卻板。TEM的尾段製成封閉直角外殼形式。主桁架固定在前面，太陽能電池板在側面。船體裝有新型火箭發動機和其他裝置。

新舊演示模型比較

以前，在有關TEM和核動力推進系統的公開資料中，出現了具有不同外觀技術的圖像。根據該項目的後續版本之一，運輸動力模塊應基於具有正方形橫截面和較大伸長率的縱向滑動桁架，以利於將產品發射到軌道上。帶有反應堆的艙室放置在其頭部，電動火箭發動機和其他系統放置在尾部的可展開支架上。冷卻設備計劃沿支撐桁架放置。

軍火庫設計局的布局具有許多特色，並且與舊圖像有所不同。首先，它的特點是主桁架的設計和單元的布局。TEM的新版本的特點是設計更重的承重桁架。新版本還拆掉了在飛行中部署並攜帶部分設備的X形尾梁。原型結構設計允許更改布局。也許現在的大型尾部部分不僅包含一個電動火箭發動機，而且還包含一個帶有附屬系統的核反應堆。在這種情況下，較小的艏段可用於容納控制系統或其他設備。

以前，不同的方案具有不同的冷卻系統配置。新模型也是如此。此次將採用沿著桁架安裝的六個面板發射器，形式為三個平行的「平面」，以將多餘的熱量散發到空間中。以前，還提供其他散熱器配置，包括，較大面積的組件設備單元，幾乎佔據了支撐桁架的整個長度。2018年11月，Roscosmos電視演播室發布了一段視頻，展示了未來基於核動力推進系統的TEM可能外觀。該模塊的版本與先前演示的版本嚴重不同。在保持基於滑動桁架的線性架構的同時，此類TEM應具有以開放圓柱體形式製成的尾部單元。應該以這種形式執行動力裝置，冷卻等操作。

RSC Energia公司的TEM早期布局方案

不難看出，當前的TEM布局與外觀與2018年版本有所不同。同時，從外觀和設計上看，它更接近項目的早期版本。

2018年Roscosmos電視演播室視頻中的TEM演示樣品

技術挑戰

TEM項目的特點是技術複雜性最高，要成功實施，必須解決許多特殊問題。為了創建這樣的模塊，需要新的零件和組件設計及具有特殊特徵的新技術和材料。那麼，核推進系統和TEM的開發就需要Roscosmos和Rosatom的眾多企業聯合進行才能解決所面臨的系列難題。

在不同的時間，已公開的材料包含不同的TEM變體，其原因就在於該項目的總體複雜性。成功找到某些問題的解決方案導致模塊整體外觀的相應變化。因此，KB Arsenal的TEM最新布局顯示了該項目的當前視圖。

根據已知數據，核推進系統的核心是氣冷快中子核反應堆。氦-氙混合物將用於冷卻系統的第一迴路中。高濃縮度的燃料將被放置在堆芯中。堆芯溫度將達到1500℃。TEM的最高設計壽命為10～12年。

具有這種特性的核推進系統尚未建立或運行。為了構造這種結構，需要對熱和機械應力具有高抵抗力的材料。還必須研究設計本身，以便在具有所需功率的情況下，其具有可接受的尺寸和重量。

在冷卻系統領域存在困難。兆瓦級的核動力推進系統必須將相當數量的熱能散發到太空中。用於空間技術的現代散熱器尚不能擁有這種特性。國際空間站冷卻系統會向太空釋放大約70 kW的熱能，這比核動力推進系統和TEM所需的熱能少幾倍。

正在開發用於TEM的冷卻器的不同方案，這在設計圖紙和模型的組裝過程中得到了反映。顯然，Arsenal布局中的一組扁平散熱器目前被認為是具有最佳特性的最有利可圖的設計。但是，很有可能該系統不是最終版本。

儘管困難重重，但TEM項目仍取得了顯著成就。比如，幾年前，專門為未來核動力推進系統設計的ID-500電動火箭發動機就進行了測試。2017年，ID-500在測試臺上工作了300個小時，輸出功率為35kW。

核動力推進系統和TEM的各個組件的組裝和測試是定期進行的。例如，2018年對原型滴水冷卻系統進行了測試。反應堆、輔助系統的其他組件及運輸動力模塊整體都在接受測試。

未來星際運輸能力

帶有核動力推進系統的運輸動力模塊的想法在俄羅斯及國外都已經提出，但是俄羅斯項目發展得最遠。至此，所有必要的技術和組件均已創建。當前核動力推進系統和TEM項目的目標是創建一個先進綜合體，能夠解決外層空間的新任務。與傳統設計的火箭系統相比，帶有反應堆和電動火箭發動機的運輸動力模塊將具有重要的優勢，並將有可能成功應對新任務。

TEM應用的主要領域被認為是執行飛往其他天體的飛行任務。核動力推進系統顯示出最高的燃油效率，並且具有獨特的比衝，從而簡化了飛往月球或火星的飛行。與當前的火箭和太空系統相比，還可以增加有效載荷。TEM的重要特徵是能夠使用模塊的組成設備為負載供電。但是，只有在不久的將來才能獲得這樣的結果。根據目前的計劃，完全配置的TEM的飛行測試將不早於2029年。只有在30年代初期，才可以開始運行模塊並使其參與實際工作。

KB Arsenal核動力拖船構想圖

俄新型核動力太空飛船已經到了組裝階段，獨缺關鍵的核動力發動機。Roscosmos局長德米特裡•羅戈津2020年7月表示，俄羅斯正在積極開發一種核動力空間發動機，以便能夠到太陽系內外的遙遠星球執行任務。這說明，俄方在這一領域的研究仍存有困難，不過以俄方大無畏的探索精神，這一問題終會被解決。Roscosmos計劃2025年前研製出核動力空間發動機。當然，TEM項目工作將持續進行數年，在此期間項目有可能會發生重大變化。