4月23日，美国聚变工业协会（FIA）发布了《Fusion Spacecraft Propulsion Roadmap》，从核聚变航天推进优势和现状、路线图、关键技术等方面展开描述。以下是报告内容：
一、核聚变航天推进优势和现状
核聚变推进为整个太阳系及以外的探索提供了一次变革性机遇，因其在功率密度、推重比、燃料经济性和比冲等方面具有独特潜力，能够带来前所未有的性能提升。为使核聚变性能提升更具参照性，传统化学推进的火星任务单程可能需要长达九个月，而核聚变飞船仅需约90天就能完成这段旅程。减少的飞行时间有助于降低成本和风险，从而提高任务成功率，这对载人任务尤为重要。核聚变推进还能提供所需的高速度增量，用于清理地球轨道碎片以及实现频繁、高效的地月运输。它也是大规模部署和返回太阳系内机器人和载人任务的唯一途径。
由于等离子体物理、计算机建模、电力电子、磁体、等离子体诊断和私人投资等领域的进步，核聚变能源和推进技术的发展势头增强。一些国家，如中国，已有多项发展先进等离子体、裂变和核聚变推进系统的航天项目。率先开发和商业化核聚变推进的国家，可能通过先进的太空能力在地球上占据主导地位，并在未来数十年甚至数百年里扩展到整个太阳系。
二、核聚变航天器推进技术路线图
（一）目标场景
- 地月转移：助力太空拖船高效补充燃料并执行众多地月任务；满足维持月球基地所需的超大货物载荷。
- 保护太空通道：高效大规模清理轨道碎片并为防御关键太空资产提供太空作战优势。
- 行星防御：能够偏转大型晚发现的小行星和彗星；拦截并研究高速星际天体。
- 火星移民：将旅行时间从9个月缩短至3个月；支持移民级别载荷，而不仅仅是小型科学任务。
- 开发小行星带采矿：实现将采矿设备运往小行星；支持将大量开采资源经济高效地运回地球。
- 探索太阳系及更远：大幅缩短往返任务时间；实现深空载人任务和增强样本返回；将望远镜送至太阳引力透镜位置，使系外行星观测能力跃升千倍。
（二）发展阶段
核聚变推进技术路线图分为五个阶段：
1.概念设计：
通过模拟验证概念识别关键工程和物理挑战，估算发动机概念的比功率、推力和比冲性能。同时，需了解可能的早期使用场景的任务和系统要求（如尺寸、质量），以便确定推进子系统的派生要求。多数私人开发商已对其推进概念进行建模，以证明基本物理方法的可行性。政府的进一步支持可使开发者获得更先进的建模工具，从而显著提高模型的保真度（例如，解决核载荷、等离子体能量分布和磁流体力学等问题）。这些先进建模工具在后续开发周期中也将发挥作用，并有助于研究新的创新概念。
2.概念验证：
在实验室中对关键部件和子系统进行物理开发和测试。关键子系统包括磁线圈系统及磁体冷却、等离子体枪、注入器、触发系统、脉冲电源系统、用于处理核聚变副产物的辐射屏蔽、维护系统和动力传输系统。衡量的标准包括温度、密度、约束时间以及其他任何能够展示通往成功全系统演示的可信扩展路径的量化指标。
3.地面测试：
可以在测试台上构建和测试一个缩比核聚变推进系统。目标是将缩比实验整合为统一演示，达到满足任务参数所需的推力和效率水平。研究人员可以快速且经济地通过小型设计获得操作经验，然后扩展为大型原型机。其目的是提供性能数据基础，以支持全尺寸系统的开发。推进系统规模化和测试基础设施建设的成本将是一个挑战。然而，美国政府非常适合支持这项研究与开发，可能作为基于里程碑的公私合作伙伴关系的一部分，允许使用关键的美国政府设施和技术知识。技术里程碑的实现可能会吸引更多的私人投资。
4.飞行原型：
在太空演示任务中测试该技术。进行太空演示将需要一个完整的推进系统，以满足寿命测试、发射环境、安全性和整体系统可靠性要求。因此，此阶段的重点是开发和验证辅助系统，包括热管理和推进剂管理系统的集成。太空演示需要将核聚变推进系统发射到太空进行操作飞行测试，以达到技术成熟度8级（TRL 8）。商业发射车辆成本的持续下降将有助于降低太空演示成本。私人和公共部门的共同支持可以使多个私人创新者实现这一里程碑。
5.首个飞行单元：
一旦在太空成功演示，核聚变推进开发者将能够吸引投资，将其推进技术部署于机器人任务，并朝着载人飞行迈进。公私合作伙伴关系可以通过早期持续投资加速开发，以支持渐进式创新，并在后期支持核聚变推进的可维护性、可靠性和可操作性。政府资助的项目将使进入这一阶段的多种设计大幅降低风险，使多个努力能够开始达到技术成熟度5到6级（TRL 5-6）。
三、实现核聚变部署的关键技术
核聚变推进概念众多，存在不同的挑战，但许多技术与地面聚变动力应用以及其他高功率应用（如核裂变）存在重叠和共性。
- 仿真工具：现有可修改的多物理场代码可修改为特定推进概念，用于预测和控制，以及长时间运行。以降低风险实现技术加速发展。
- 关键系统工程：包括脉冲电源系统、磁体、热管理、电能转化。
- 测试设施：利用具备高容量的真空抽气和冷却能力的大型设施来以支持进行地面寿命测试。
- 燃料管理：长期储存低温推进剂尚未在太空中得到验证，这适用于核聚变和核裂变动力系统。
- 屏蔽技术：所有核聚变推进概念都需要对关键部件（以及最终的机组人员）进行屏蔽。这种屏蔽必须轻量化，以实现高比功率。
- 热量排放：轻量化、具备高可靠性的散热器是核裂变和核聚变系统必需的。
- 监管体系：需要建立用于太空推进的装置清晰监管和路径。
四、从等离子体推进器到核聚变推进转变
采用高温超导（HTS）磁体的等离子体推进器，是未来核聚变推进系统的一项关键技术。基于HTS技术的磁等离子体动力（MPD）等离子体推进器是增强型卫星推进的可行短期解决方案。这种技术随后可以发展以支持基于核聚变的等离子体推进。
与霍尔效应和离子推进器等电推进系统相比，等离子体推进器虽然具有高比冲（ISP），但推力较低。MPD推进器在保持高ISP的同时提供更高推力，但传统上受到低效率和电极退化的限制。
HTS磁体的集成解决了MPD推进器的这些局限性，通过增强磁场强度、降低电阻损耗以及通过降低工作电流来减少电极侵蚀。这些进步使基于HTS的推进器能够实现显著更高的推力，同时保留其高ISP特性，使其非常适合长时间的深空任务。
在短期内，基于HTS技术的MPD推进器为太空推进提供了高效解决方案，而核聚变推进有望在长期内彻底改变星际探索。
扫描下方二维码下载报告：
参考资料：
- https://www.fusionindustryassociation.org/fia-launches-fusion-spacecraft-propulsion-roadmap/