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太空推进 2024
(1) 美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心，美国亚拉巴马州亨茨维尔，Thomas.M.Brown@NASA.GOV (2) 美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心，美国亚拉巴马州亨茨维尔，Mike.Fazah@NASA.GOV (3) 美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心，美国亚拉巴马州亨茨维尔，Michael.A.Allison@NASA.GOV (4) 美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心，美国亚拉巴马州亨茨维尔，Hunter.Williams@NASA.GOV 关键词：低温推进、低温流体管理、低温系统测试与演示 摘要：当前对月球探索和未来人类火星任务的关注推动了太空推进系统对具有长期存储和运行能力的更高性能低温系统的要求。这些系统不仅比可储存推进剂选项提供更高的性能，而且还具有现场生产推进剂的潜力。未来的火星运输系统预计将使用高推力核热推进（使用液氢推进剂），或混合系统，即采用低温化学系统（可能是 LOX/CH 4 ）进行高加速机动，采用核电系统进行长时间高 Isp 机动。基于这两种选择的探索架构都需要使用具有长期储存能力的高性能低温推进剂，用于太空运输以及行星下降和上升功能。当前专注于月球探索的努力也依靠低温推进剂（LOX/LCH 4 或 LOX/LH 2 ）进行月球运输和下降/上升运输功能。空间低温推进系统在长期推进剂储存和使用方面面临许多技术挑战，包括先进的绝缘技术、储箱分层和压力管理、低温制冷以减少推进剂因沸腾而损失、低泄漏低温阀门、低温液体采集和低温推进剂转移。美国宇航局已投资于技术开发工作，演示了单个技术和系统级操作。美国宇航局马歇尔太空飞行中心还投资了多个测试设施和模块化测试台，用于在地面演示多种集成技术和系统操作概念。还进行了额外投资以完善分析
RS-25 推进系统
RS-25 是从航天飞机主发动机 (SSME) 演变而来的，后者成功为所有 135 次航天飞机飞行提供了升空推力。RS-25 采用分级燃烧发动机循环，由液氢和液氧提供动力。RS-25 将继续作为美国宇航局超重型太空发射系统 (SLS)（美国探索火箭）的核心级发动机，满足美国载人探索推进的需求。
核动力海军推进系统
核电站运行的最大经验是核海军推进，特别是航空母舰和潜艇。这些积累的经验可能成为拟议的新一代紧凑型核电站设计的基础。核动力潜艇的任务正在根据信号情报收集和特种作战重新定义。核动力舰艇约占美国海军作战舰队的 40%，包括整个海基战略核威慑力量。美国海军的所有作战潜艇和超过一半的航空母舰都是核动力的。这里的主要考虑因素是核动力潜艇不像传统发电厂那样消耗氧气，而且它们在燃料补给之前具有很长的续航能力或任务时间；仅受船上可用的食物和空气净化用品的限制。另一个独特的考虑因素是使用高浓缩铀 (HEU) 来提供紧凑的反应堆系统，该系统具有足够的内置反应性，以克服氙气反应堆的死区时间，从而实现快速重启和加油之间的长燃料燃烧期。第二次世界大战期间，潜艇使用可以在水面运行的柴油发动机，为大量电池充电。这些电池随后可以在潜艇下潜时使用，直到电量耗尽。此时潜艇必须浮出水面为电池充电，并且容易受到飞机和水面舰艇的探测。尽管使用特殊的通气管装置将浅潜水下的潜艇吸入和排出空气，但核反应堆理论上可以为其提供无限的下潜时间。此外，核燃料的高比能或每单位重量的能量消除了跟随水面或水下海军舰艇舰队的脆弱油轮舰队不断加油的需要。另一方面，核反应堆一次加油足以满足长时间的需要。现代海军反应堆的浓缩度高达 93%，铀 235 的浓缩度可达 97.3%，设计为在 20-30 年的使用寿命中每 10 年或更长时间更换一次燃料，而陆基反应堆使用的燃料浓缩度低至铀 235 的 3-5%，每 1-1.5 年需要更换一次燃料。新堆芯的设计使用寿命为在航母上 50 年，在潜艇上 30-40 年，这是弗吉尼亚级潜艇的设计目标。堆芯中加入了可燃毒物，如钆或硼。这允许较高的初始反应性，以补偿裂变产物毒物在反应堆寿命期间的积累
核动力船舶推进
核动力船舶推进 © M. Ragheb 6/21/2021 1.简介 有几种趋势正在塑造海军舰艇技术的未来愿景：全电动舰艇、全封闭喷射泵推进器、定向能激光、微波和电磁武器、高超音速巡航导弹、隐形技术、无人驾驶飞行器 (UAV)、群体水下无人驾驶飞行器 (UUV) 机器人潜艇、推进器喷水推进、磁流体动力推进、濒海舰艇和停泊驳船用于发电。全电动船舶推进概念被采用为未来美国水面战斗动力源。下一个发展或先进电力系统 (AEPS) 涉及将几乎所有船上系统转换为电力；甚至最苛刻的系统，例如航空母舰上的推进器和弹射器。它将包括新武器系统，例如现代电磁轨道炮和自由电子激光器以及飞轮和超级电容器储能系统。美国海军计划到 2030 年代中期将其 284 艘舰艇舰队扩大到 355 艘。随着高超音速武器运载系统的出现，将美国海军 (USN) 配置为具有远程无人机打击能力的小型核动力平台是未来的潮流。高超音速将由一支由小型和快速舰艇组成的分布式舰队来对抗。任何类型的导弹群威胁都对美国航母构成威胁，而它们可能会变得更小，由一组由人类驾驶的飞机指挥的无人机组成。它们将是垂直发射车，随身携带远程一次性加油机或微型核反应堆，作为长期盘旋和续航的能源。这些舰船将更小，采用核动力。常规舰船每隔几天就需要加油，而且必须配备加油机。核动力舰船的速度和续航能力要快得多。太空是下一个战场，武器平台将更多、更小、无人驾驶。航空母舰是意图和全球野心的声明，也是军事力量的明显投射。它们是一支多才多艺的强大力量，能够进行人道主义和灾难救援以及高端作战。拥有 5,000 名船员的航空母舰正面临脆弱性危机，这将导致小型舰船从分散地点发射无人机。美国海军拥有 10 艘航母，英国有两艘，中国有一艘，正在建造另一艘。一艘美国航母上有 3,000 多名水手。俄罗斯、法国和意大利各有一艘航母，印度也加入了这一行列。美国海军每年要花费 1 亿多美元来维持一艘尼米兹级航母的海上运行，这还不包括飞行作业、弹药和船员工资的费用。它们作为打击群在高威胁地区运作，包括防空驱逐舰、反潜护卫舰和攻击潜艇，以及运载食物和弹药的油罐车和固体支援舰。世界各地的海军都使用三分法则：或者说每艘在海上的船，一艘准备部署，而另一艘则返回港口进行维护。核动力航母（如尼米兹级）的航程不受限制，而常规动力航母（如伊丽莎白女王号）的航程为 10,000 英里。
核动力海军推进系统
核电站运行的最大经验是核海军推进，特别是航空母舰和潜艇。这些积累的经验可能成为拟议的新一代紧凑型核电站设计的基础。核动力潜艇的任务正在根据信号情报收集和特种作战重新定义。核动力舰艇约占美国海军作战舰队的 40%，包括整个海基战略核威慑力量。美国海军的所有作战潜艇和一半以上的航空母舰都是核动力的。这里的主要考虑因素是核动力潜艇不像传统动力装置那样消耗氧气，并且在燃料补给之前具有较长的续航能力或任务时间；仅受船上可用的食物和空气净化用品的限制。另一个独特的考虑是使用高浓缩铀 (HEU) 来提供紧凑的反应堆系统，该系统具有足够的内置反应性，可以克服氙气反应堆的死区时间，从而实现快速重启和加油之间的长燃料燃烧期。在第二次世界大战期间，潜艇使用可以在水面运行的柴油发动机，为大量电池充电。这些可以在潜艇潜水时使用，直到放电。此时，潜艇必须重新浮出水面为电池充电，并且容易受到飞机和水面舰艇的探测。尽管使用特殊的通气管装置将空气吸入和排出浅潜于水面以下的潜艇，但核反应堆理论上为其提供了无限的潜水时间。此外，核燃料的高比能（即每单位重量的能量）消除了跟随水面或水下海军舰艇舰队的脆弱油轮舰队不断加油的需要。另一方面，核反应堆一次加油足以满足长时间的需要。现代海军反应堆的浓缩度高达 93%，U 235 能够达到 97.3%，设计为在其 20-30 年的使用寿命中每隔 10 年或更长时间才加油一次，而陆基反应堆使用的燃料浓缩度低至 U 235 的 3-5%，需要每隔 1-1 1/2 年加油一次。新反应堆的设计使用寿命为航母 50 年，潜艇 30-40 年，这是弗吉尼亚级潜艇的设计目标。核心中含有可燃毒物，例如钆或硼。这些允许较高的初始反应性，以补偿裂变产物毒物的积累
