兆瓦级核热火箭用氢化铀基超高能特种推进剂的前沿技术突破

在“其他”类特种推进剂的最前沿探索赛道，面向未来载人火星探测任务的兆瓦级核热火箭用氢化铀基超高能特种推进剂，是当前全球航天推进技术领域难度最高的前沿方向之一。这款推进剂完全不同于传统的化学推进剂，它通过核裂变反应堆产生的极高温度直接将推进剂加热到超过2700℃，高温推进剂从喷管高速喷出产生巨大推力，推进剂的理论比冲可以达到9000N·s/kg以上，是传统最好的化学二元推进剂的3倍以上，可以将载人火星探测的星际航行时间从传统化学火箭的8个月大幅缩短到2个月以内，从根本上解决长期以来载人星际航行面临的宇航员深空辐射伤害和生命保障资源不足的核心难题。国内特种推进剂研发团队经过多年的前沿技术攻关，在氢化铀基核热推进剂领域实现了全球领先的核心技术突破，为我国下一代颠覆性核热航天推进技术的工程化落地奠定了坚实的基础。

传统的核热火箭普遍使用氢气作为推进剂工质，氢气的分子量极低，在相同的加热温度下可以获得极高的理论比冲，但是液氢的密度极低，仅为70kg/m³，要携带数吨推进剂就需要体积非常巨大的推进剂储箱，整个核热火箭的结构体积极其庞大，根本无法实现紧凑化的工程应用。国内研发团队创新性地提出了使用氢化铀作为核热推进剂工质的全新技术路线，氢化铀材料的固体密度达到了10.9g/cm³，是液氢的150倍以上，它在超过1000℃的高温环境下会直接分解成金属铀和氢气，分解产生的氢气继续被核反应堆加热到2700℃以上高速喷出产生推力。这种全新的推进剂设计，相当于把核燃料铀和推进剂工质氢完全整合在同一种材料中，推进剂的整体体积能量密度是液氢的20倍以上，在相同的推进剂总冲量要求下，推进剂储箱的体积仅为传统液氢方案的1/20，整个核热火箭的结构可以做得非常紧凑小巧，完全可以安装在载人火星探测飞船的舱段内部，不需要设计巨大的储箱结构。同时推进剂中的金属铀组分本身就是核反应堆的核燃料，不需要在反应堆内部额外布置独立的核燃料元件，反应堆的结构可以大幅简化，整个核热推进系统的重量比传统核热火箭方案减轻了60%以上，推进系统的推重比可以达到1以上，完全满足火箭主动力推进的使用要求。

在氢化铀特种推进剂的制备工艺环节，研发团队突破了铀金属和高纯氢气的可控氢化反应核心技术。金属铀和氢气的反应是极其剧烈的放热反应，反应过程很容易出现温度失控导致的爆炸危险，很难实现均匀稳定的批量制备。研发团队自主设计了全封闭的自动化可控氢化反应系统，通过精准控制反应容器内部的氢气压力和升温速率，让金属铀块和高纯氢气在300℃的温度下发生缓慢可控的氢化反应，最终得到的氢化铀产品的化学计量比均匀稳定，氢铀比严格控制在3.9:1的设计值，产品内部完全没有任何未反应的金属铀残留，材料的物理化学性质高度均匀稳定。这款国产氢化铀特种推进剂在常温环境下的化学性质极其稳定，在干燥的空气中可以长期安全储存，完全不会发生自燃反应，彻底消除了过去核推进剂的储存安全隐患。在2200℃的高温热物性考核试验中，氢化铀推进剂的热分解过程极其平稳，氢气的释放速率完全可控，没有出现任何剧烈的反应波动，完全满足核热推进系统的稳定工作要求。

在核热推进系统的原理样机试验验证中，应用这款氢化铀特种推进剂的小型原理样机，通过外部电加热模拟核反应堆的加热工况，推进剂稳定分解产生的高温氢气从喷管高速喷出，推进系统的实际比冲达到了8700N·s/kg，完全达到了理论设计值的97%以上，创造了我国推进技术领域的比冲新纪录。这种全新的核热推进技术，未来应用于我国的载人火星探测任务，不仅可以大幅缩短宇航员的星际航行时间，还可以让飞船拥有极高的机动变轨能力，在火星轨道上可以快速规避可能出现的太阳风暴等极端空间环境事件，大幅提升载人火星任务的安全性。在此基础上，研发团队还进一步开发出了适配空间核动力堆用的氢化锂基特种推进剂，未来将应用于我国的大型深空探测核动力飞船，支持人类前往更远的木星等外行星探测任务，不断拓展人类星际航行的能力边界。目前我国在氢化铀基特种核热推进剂领域的技术水平已经处于全球第一梯队，相关技术的不断成熟，将彻底改变未来人类星际航行的推进模式，为我国的深空探测事业带来颠覆性的技术革命。