美军研究可用于地月空间的新型空间推进技术

导语

尽管目前美军的军事太空活动仅限于地球轨道，并没有向地月空间发射任何航天器，但随着NASA重返月球、在月球上建立月球基地并与私营部门合作发展地月经济，为保护上述利益免遭外国势力的挑战，美军迟早会进入地月空间并开展军事行动。现有的化学推进与太阳能电推进都存在自身的局限性，并不适合在地月空间使用。因此，美太空军已经开始研究一些创新型的空间推进技术，如核热推进和水蒸气推进等技术，以实现航天器在地月空间的快速机动与部署。

1． 美空军研究实验室报告提出要为地月空间的军事应用做好准备

美空军研究实验室（AFRL）航天器分部于6月底发布《地月空间入门》报告，提出太空军未来必将为地月空间的作战行动开发新型航天器与概念。AFRL航天器理事会主任埃里克·费尔特上校表示，该文件旨在“教育和激励”，专用于军事太空人员。

地月空间通常被定义为包含地球、月球和拉格朗日点的区域，随着地月空间的经济开发，未来将在该区域部署航天器。费尔特称，在地球同步轨道以远部署航天器将面临独特的挑战，美军必须了解并解决这些挑战，以确保能够提供地月空间的态势感知与安全性。

AFRL长期以来一直是推进地月空间研究的支持者。其航天器理事会去年宣布将资助一项实验，以研究地月空间的技术。该实验名为“地月空间高速公路巡逻系统”（CHPS），作为国防部超越地球同步轨道的第一个任务，该项目将开发地月空间的监视、导航与通信技术。同时，太空军与NASA签署合作协议，将加强地月空间技术研发的合作，如深空调查和跟踪技术，以支持地球同步轨道以远的态势感知及近地天体探测；实现安全、持续地近地和地月空间行动的能力，如通信、导航等；空间结构维修、装配、制造；载人航天搜索、救援和恢复工作等。

2． 太空军关注空间核热推进技术具有的优势与机遇

美太空军副作战部长汤普森7月28日在米歇尔研究所主办的虚拟论坛上称，空间核热推进技术不仅可以帮助人类更快地到达火星，还可以用于深空军事任务；与传统的化学火箭相比，核热推进在效率方面具有显著优势，可以扩大航天器行动的范围。

美太空军正计划在地月空间部署卫星或其他航天器，当前的太阳能电推进和化学推进系统对于深空长航时任务存在显著的缺陷和局限性：地月空间比地球轨道距离太阳更远，太阳能电池板所能提供的能量就更少，加之太阳能电池板面积又大又脆弱，限制了航天器快速机动的能力。因此，为实现在地月空间的长期运行与维持，必须考虑核热推进技术。考虑到核热推进对于核材料的需求，太空军必须权衡政策考虑，认真看待核电和核推进的优势和机遇。

2.1 DARPA启动“敏捷地月空间行动演示火箭”计划

目前DARPA和NASA都启动了相关的核热推进技术研究项目。DARPA于2021年4月授予通用原子公司一份2200万美元的合同，作为“敏捷地月空间行动演示火箭”（DRACO）计划的第一阶段工作，专门设计可用于空间推进的小型核反应堆；DARPA还分别向洛克希德·马丁公司和蓝源公司授予290万美元与250万美元的合同，设计采用核热推进系统进行推进的航天器。DRACO的核心是利用核裂变来加热液态氢的核热发动机，液态氢作为推进剂向后喷出以产生推力。

DRACO项目经理内森·格雷纳7月28日称，核热推进将允许航天器相对较快地穿越太阳系，相比传统的推进方式需要数月或数年的时间，核热推进只需要数天或数周时间。DRACO的重点是是开发和展示核热发动机能力，这也是该计划中技术风险最大的工作。DRACO任务将是一个“太空试验场”，以评估轨道上的推进系统，目标是“让国防部了解这种能力是真实的”。因此，DARPA并未设定DRACO的发射日期或选择运载火箭。

2.2 NASA研发核热技术

为推进核热技术发展，2021年7月，NASA与能源部（DOE）合作，分别授予BWX技术公司、通用原子电磁系统公司与超安全核技术公司合同，进行可用于核热推进系统的核反应堆设计的研究。与化学火箭相比，核热推进的推进剂效率是化学火箭的两倍，是一种用于火星载人和货运任务以及太阳系外科学任务的潜在技术，可完成更快、更强大的深空探索任务。

除核热推进技术外，NASA还在完善用于月球和火星表面的核裂变动力系统。NASA打算与DOE合作发布提案请求，要求工业界对月球表面10千瓦级系统进行初步设计。成熟的核裂变动力系统还有助于为核电推进系统提供信息，这是另一种用于深空探索的候选空间推进技术。

3． 太空军研究水蒸气推进技术

当太空军计划在地月空间中执行的任务时，将面临传统化学推进的局限性。天体物理学家兼RSA初创公司创始人尤斯曼表示，由高温水蒸气驱动的航天器可以提供一种可行的替代方案。

尤斯曼认为，通过化学推进将航天器运输到地球同步轨道以远的地月空间的效率不高；电推进可以移动大型有效载荷，但可能需要数月或数年才能到达地月空间；核热推进则面临放射性核材料的安全问题，而采用高温水蒸气的推进系统，可实现与核热推进相似的功能，同时又避免产生放射性问题。

美太空军2021年7月底授予美国RSA公司一份小型企业创新研究(SBIR)第一阶段合同，设计采用太阳能水蒸汽作为动力的Scorpius航天器，实现在地月空间区进行太空演习和其他军事行动。Scorpius航天器的太阳能水蒸汽动力系统主要基于浩威工业公司为NASA与DARPA研发的ThermaSat发动机。

ThermaSat发动机是专为小型立方体卫星开发的太阳能水蒸气热推进系统。立方体卫星由于体积较小，大都无法安装推进系统。在全球已经发射的2700颗立方体卫星（或其他纳米卫星）中，只有不到10%安装有推进装置，这使得很多立方体卫星在其功能齐全的时候就坠入大气层烧毁，造成巨大浪费。ThermaSat发动机的推进剂是纯水，核心是由相变材料制成的热电容器，利用面积为129平方厘米的表面收集和储存太阳能热量；结合使用光子晶体和镀金反射镜，可在极短时间内将容器提升至780摄氏度的高温，使水瞬间转化为高温热蒸汽并向后喷出产生动力。其效率与锂离子电池相当，但没有后者爆炸的风险。虽然其体积较小，但效率较高，1千克的水可产生1800牛的推力，比冲长达203秒；可使立方体卫星在375千米的轨道上维持5年时间，或250千米高度维持数月时间（没有推进系统，立方体卫星在该高度仅能维持数周时间），这极大提高了立方体卫星的任务效率。

基于ThermaSat发动机，Scorpius航天器将部署一种抛物面碟形天线形状的太阳能反射板，不仅可以收集太阳能，利用水作为推进剂提供推力、为航天器提供电力；还可作为天线收集和传输通信信号。根据合同，首先将制造一颗约100千克的小卫星验证该概念；最终将制造重约2.2吨、直径为5米的卫星。