美國太空核動力的國防安全概念與應用
2022.07.01
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壹、新聞重點
美國國防高等研究計劃署（Defense Advanced Research Projects Agency, 以下簡稱DARPA）日前徵求「月軌內敏捷行動示範火箭」（Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, DRACO）核動力太空船計畫的第二及第三階段提案，需求為設計和製造「核熱推進」（Nuclear Thermal Propulsion, NTP）的太空載具，並預計2026財年示範此新核電系統，將太空船送上地球軌道。[1] DARPA認為核能技術可使衛星更具機動性和更不易受到攻擊，且具有震懾效果，從而使美國軍隊獲得對競爭對手的優勢，但另一方面，是否會促使敵人加速太空核能發展，將國際安全推向不安定方向也是要考量的問題。
貳、安全意涵
一、發展太空核能技術可強化美國的太空安全
中俄都在部署新的反衛星武器，俄羅斯於2021年進行反衛星武器試驗，中國在同年也宣稱正在研發比美國目前更具機動優勢的「核熱推進」飛行器，[2] 這些活動都威脅到美國的太空安全，當前美國使用的化學火箭讓美國太空部隊的機動性受限，美國的衛星及其他太空設施越來越容易受到攻擊，因此有必要發展新的設計與技術，以因應未來的太空機動戰，其中包括衛星與具有「核熱推進」和「核電推進」（Nuclear Electric Propulsion）的載具，新型載具將具備安全性、機動性、高推重比和燃料效率的優勢，可讓美國積極「威懾」、「保護」和「捍衛」太空中的國家利益的關鍵。
自1940年代後期以來，美國一直在研究、測試和監管高濃縮鈾「核熱推進」系統，但由於政策和預算限制從未進行試飛。60年代開發的NERVA核動力引擎火箭（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application）是第一台獲得飛行認證的太空核推進發動機，但在70年代初被取消。80年代研議「星戰計畫」（Strategic Defense Initiative），在90年代初被取消。雖然上述計畫與系統未能持續，但美國沒放棄太空核能構想，白宮2020年發布《太空核電與推進技術國家戰略》（National Strategy for Space Nuclear Power and Propulsion），規劃美國將在2020年代中期具有「核熱推進」、「核電推進」等各種太空核動力系統燃料生產與處理的能力，並在2020年代後期在月球上進行核能動力系統測試。 [3]可看出國際太空競爭讓美國意識到危機，但同時有機會將數十年的技術用於開發一個更具機動性和防禦性的太空架構，以保護美國的利益。
二、「核熱推進」技術為美國政府不同單位都關注的項目
現今火箭是化學推進，火箭引擎內有燃料以及助燃的氧化劑，透過燃燒燃料產生的氣體，高速向後噴出形成飛行動力。而「核熱推進」是使用核反應將推進劑（例如氫氣）加熱到極高溫度後轉化為氣體，再通過噴嘴排出以產生推力。「核熱推進」與化學推進不同之處在於當化學物質燃燒時產生的副產物較輕，因此火箭可以用更少的燃料飛行得更遠。DARPA表示與目前的太空推進技術相比，「核熱推進」的推重比較電力推進高約一萬倍，比衝[4] 化學推進高出二到五倍。這種組合具有更大的靈活性，以達到美國在太空中的快速機動目標並保持優勢。 [5]
除了DARPA的DRACO計畫外，美國國防創新小組（Defense Innovation Unit, DIU）也宣布要開發小型核動力太空船，並預計於2027年在太空中進行核推進與動力試驗。除了美國軍方外，美國太空總署也關注太空核能化的發展，在白宮發布「太空核電與推進技術國家戰略」後，美國太空總署也發表新聞稿表示支持上述政策，因阿提密斯登月計畫（Artemis program）旨在2020年代末將人送上月球，火星任務更是登月後的延伸，若「核熱推進」技術可用於長期的載人任務，即可在現有推進技術所需的一半時間內完成對火星的探險。在美國太空總署2023財年預算申請中，有1,500萬美金用於核推進項目。[6] DIU 的小型太空船計畫將補足DARPA和美國太空總署在大型太空船的核推進方面所做的工作，可看出上述不同單位皆在執行核推進項目，也明確提出預算規劃，表示美國政府正透過各單位的屬性與專長進行太空核能的發展，以展現美國可「安全」、「有效」和「負責任地」使用太空核推進系統，也可視為美國將太空領域納入國家安全與發展的一部份。
參、趨勢研判
一、太空核推進是美國未來發展的基礎
現今的電力和化學推進系統分別在推力重量比和推進劑效率方面存在缺陷，隨著太空競賽的程度逐年上升，若美國要維持領先地位，就需要提升太空技術，若是DRACO計畫進行順利，「核熱推進」系統將有可能實現類似於太空化學推進的高推重比，並接近電力系統的高推進效率。可預期美國將進行跨單位合作，例如美國國防部與太空總署及能源部共同開發和部署太空核推進和其他技術，以提高其威懾和反制對美國的國家安全空間架構威脅能力。例如將核動力推進用於關鍵的國家安全太空系統，如GPS或飛彈預警衛星，即可避開反衛星武器瞄準。
二、美國國防部可能就太空核推進技術進行資源調整與佈署
倘若美國在2026財年進行試射後仍將DRACO計畫列為高度優先，那美國國防部有可能讓該計畫從科技開發轉變為全面的採購計劃，這將有助於美國在競爭對手之前完成太空機動的規劃。但要完成上述規劃，則必須持續讓國會與大眾了解美國太空系統面臨的嚴重威脅，以及建立更強大的部隊設計以增強威懾力的必要性。若能在2030年部署第一枚搭載熱核推進器的軍事衛星，這將使美國太空能力大幅提升。
三、太空核能技術有可能成為新的核軍備競賽
隨著中俄在太空中不斷展現能力，美國為穩固其霸權地位，將不斷追求太空核能技術發展，期望透過核嚇阻維持優勢，中國稱「美國才是國際社會最大的核威脅」，而美國2021年的中國軍力報告對於中國核能能力是「可能打算到2030年擁有至少1,000枚飛彈彈頭」。DARPA該項計畫為發展太空核推進技術，但目標是希望未來能在軍用衛星上使用該技術，這是否會促使其他國家跟進相關的太空核能發展，甚至成為新型態的核軍備競賽仍皆有待觀察。
[1] “Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) phase 2 and phase 3,” General Services Administration, Jun 21, 2022, https://reurl.cc/p1eyx4.
[2]Stephen Chen, “China’s Space Programme will Go Nuclear to Power future Missions to the Moon and Mars,” South China Morning Post, November 24, 2021, https://reurl.cc/1ZN429.
[3]“National Strategy for Space Nuclear Power and Propulsion,” Executive Office of the President, December 21, 2020, https://reurl.cc/NAK6Rn.
[4]比衝為火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量，或單位重量（重力）流量的推進劑產生的推力。
[5]Manasee Wagh, “The Pentagon’s Nuclear Thermal Rocket Is Getting Serious,” Popular Mechanics, May 11, 2022, https://reurl.cc/Gx2rXp.; Abraham Mahshie, “Space Force Can Only ‘Mitigate’ China-Russia Space Cooperation,” AirForceMagazine, May 24, 2022, https://reurl.cc/41VmQv.
[6] Courtney Albon, “Defense Innovation Unit Picks Designs for Space Nuclear Propulsion Demo,” C4ISRNET, May 19, 2022, https://reurl.cc/Gx2rAW.; NASA FY 2023 Budget Estimates, NASA, March 17, 2022, https://reurl.cc/d245m8.