国外空间核动力技术发展现状及启示.docx

1、国外空间核动力技术发展现状及启示摘要：为了满足未来太阳系边界探测、深空轨道转移和载人往返火星等空间任务的多元化需求，空间核动力技术应运而生，其可以突破常规能源推进方式的限制，大大提高推进系统的比冲，同时克服太阳能受限于太阳距离的问题，在深空探测领域具有广阔的前景。空间核动力技术可以为航天器提供多种新型推进方式，主要包括核电推进、核热推进，以及核热、核电、化学能等的组合动力推进，还有一些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片、核脉冲、核冲压。空间核动力通常包括核反应堆、能量转换模块和配套的推进系统，以及热力和电力控制等辅助系统与桁架等结构模块。关键词：空间核动力；核动力航天器；核电推进：核热推进一

2、空间核动力概述空间核动力主要是指能量来源是核能的空间动力系统，其衍生概念还包括空间核热源、空间核电源，如图1所示，但空间核动力主要偏向于空间核能推进系统。核能推进技术主要包括核电推进与核热推进两种方式，还有些正在论证的核能推进方式，如核裂变碎片（利用磁场将可控核裂变过程中产生的高能裂变碎片沿同一方向喷射，从而产生推力），核脉冲（在火箭后面安装推进盘，利用核弹爆炸的冲击波推动火箭前进），核冲压（利用大气作工质，代替贮箱供给推进剂的核热火箭），以及核热/核电的双模式推进。本文主要介绍核电与核热两种主要空间核动力形式。图1空间核能应用能量转换关系核电推进是指将核反应堆的核裂变/聚变或者放射性同位素

3、衰变产生的热能通过热电转换产生电能，再利用电推进系统产生推力的推进方式。目前，大功率的空间核电推进系统均是依靠反应堆核裂变产生的热源设计，一套完整的核电推进系统如图2所示。空间核电推进系统通常由空间核反应堆、热电转换系统、热排放系统、电源管理和分配系统、大功率电推进等子系统组成。图2核电推进系统组成核电推进系统中如何将核反应堆产生的热能传换为电推进系统所需的电能至关重要，典型的空间热电转换方式包括以布雷顿、斯特林和朗肯热力学循环为主的动态转换，以及以温差发电和热离子发电为主的静态转换，如图3所示。温差发电与热离子发电的使用历史悠久，技术相对成熟与稳定。美国早期的同位素航天器（包括“子午仪”4/

4、军用轨道卫星、“旅行者”1探测器等）和苏联BUK核反应堆卫星均采用温差发电方式，苏联TOPAZ空间核电源则采用热离子发电方式。然而，静态转换形式的效率偏低，对于采用核裂变反应堆的大功率核电推进航天器来说，为了保持较高的功率密度，应尽量减少反应堆、辐射屏蔽层和废热散热器等的体积、质量，需要进一步提高热电转换方式的效率。动态转换的效率与静态转换相比有.明显提升，这也是目前俄罗斯、美国、欧盟的兆瓦级核电推进航天器均选择动态热电转换方式的原因。在动态转换方式中，斯特林循环的效率高，但不能很好地扩展到百千瓦以上的大功率系统；在兆瓦级大功率等级下，布雷顿循环在功率、效率、质量、寿命及可靠性的综合指标上表现

5、更好：朗肯循环在高效率与排热温度上具有潜力，但两相系统的设计是一个更大挑战，技术成熟度较低。布雷顿循环斯特林循环朗肯循环温差发电热需子发电图3不同热电转换方式核热推进是指利用核裂变产生的热能加热推进工质，并由推力室喷管加速喷射而产生推力的一种推进方式。核热推进最简单的模式如图4所示，即在推进系统中只有一条主推进剂管路，液氢工质从储罐中流出进入泵加压，推动涡轮做功，还有一部分氢进入喷管冷却套,此部分液氢的作用是冷却喷管和预热工质，两条路径最后都进入反应堆堆芯吸取大量热量，并通过推力室及喷管高速喷出，从而产生推力。储那图4核热推进示意图二、国外空间核动力技术发展现状（一）美国荚国在20世纪50年代

6、率先投身于空间核电推进的研究，截至目前，美国已经发射了40余个带同位素电源的航天器。其中，百瓦级的同位素热电转换材料选用SiGe高温材料，电功率达到170%热端温度超过1000-C,已成功应用在“旅行者”1航天器上，寿命超过43年。这种空间同位素电源提供的电功率相对较小，而核电推进需要利用核反应堆的核裂变/聚变通过热电转换获得更大功率的电能。1955年,美国原子能委员会启动了空间核辅助电源计划(SNAP),并于1965年4月成功发射了人类历史上第一个在轨运行的空间核反应堆电源一一SNAP-IOA,其采用温差热电偶发电的方式为航天器提供500W的电功率，在运行43天后被永久关闭。此后，美国在太空

7、任务发展规划的优先级上不断进行调整，空间核动力领域的有关研究虽继续取得重要进展，如SP-100计划、应用于运载火箭的核发动机计划和“普罗米修斯”计划等，但再也没有进行实际飞行试验和在轨应用。1983年，美国为了提高空间能源供给和防御苏联的导弹攻击，启动了“战略防御计划(SDI)o该计划采用热电偶热电转换技术作为发电方式，采用锂冷快堆技术，设计输出功率为100kW,使用寿命为7年，设计出SPToO空间反应堆。SP-100可以结合不同的空间推进器完成指定任务，使得核电源成为航天器重要的电源之一。2002年，美国相关行政部门提出发展深空探测的计划；2003年，美国国家航空航天局(NASA)提出了“普

8、罗米修斯”计划，公布了“木星冰月轨道器(J1.Mo)的部分设计参数，该任务计划采用高温气冷快堆作为堆芯，采用布雷顿热电转换方式作为发电方式，选择离子推进器作为电推进系统，计划在2015年设计出电功率为20OkM比冲大于6000s、使用寿命为20年的远距离木星探测器。2006年，由于美国将重点放在研究星表核反应堆(FSP)电源上，“普罗米修斯”计划终止，但是美国在设计千瓦级核反应堆电源方面取得了重大突破，并在地面进行了同步实验，验证了星表电源在深空探测活动中使用的可行性。2015年7月，美国发布了详细的NASA技术路线图，在核电推进技术方面将空间核反应堆电源划分为3个功率等级：I1.OkW的应用

9、场景为科学任务总线电源与载人探测星表能源，10100kW的应用场景为载人小行星探测等灵活路径任务，5MW的应用场景为具有低质量密度要求(1.-1001000Q1000MOOS1U00E21%2-os2OM%-4(rWw-队比功w1100W-IWOW-HD10-IwOMHMRTGMMRTGRuKTOT*Ioe1.SFACFKrSA1.RSMIIDSNAT50MW1.fSMOOSItGIIOBHfTFMKBK1.OOgI*ItfDMoOXUO”|00IaMOBMKMuw)不国!*0下论H筏效率bI不限酬季下图9典型空间热电转换系统方案对比3 .大功率空间牺射散热技术在空间环境中，系统废热只能通过热

10、辑射的方式进行排散，而辐射散热器占据了系统绝大部分的空间结构，必须通过提高辐射散热器的性能来减小整个推进系统的质量和尺寸。目前肮天器可以封装的可展开辐射散热板最大面积已经从美国“普罗米修斯”计划设计的5421提升至“航天发射系统”(S1.S)重型运载火箭公布的2500m2,空间大型可展开散热器的材料选取、结构设计与作用机制仍存在难点。整套大型可展开散热系统需要满足发射和运行过程中的负载要求，同时通过可伸缩的桁架提供足够的刚度以避免干扰其他系统运行。当前，热管式和泵驱动中高温流体回路式散热系统具有较好的基础，但是存在系统质量大且只能通过增大散热面积犷大散热量等缺点，液滴散热器具有更高的散热效率，

11、其中作为热载体的工作液体通过液滴发生器的喷口直接进入空间飞行一段距离，通过粗射放出热量，然后被液滴收集器回收，将是未来技术研究的重点，如图10所示。当空间核电源与大功率电推力器组合使用时，电推进系统同样面临散热问题，应该统一考虑整个航天器的辐射散热设计，有利于降低系统整体质量和尺寸。图10俄罗斯TEM核动力飞船液滴散热方案4 .空间核反应堆芯体材料选型与制造工艺虽然与常规推进剂相比，核燃料的能量密度极高，不存在牺牲我荷的问题，但是空间中需要对反应堆的能量释放速率进行安全、精确、可靠控制，因而对芯体材料的选择与构型提出了极高的要求，应能够在高温、腐蚀、辐照的环境下稳定工作。一方面，反应堆燃料的工

12、作温度与能量转换效率密切相关，燃料元件需要在尽可能高的温度下保持优良的力学:性能和热学性能；另一方面，有效传递到能量转换机构的热量决定了空间核动力装置的功率，用于强化工质换热的结构元件需要保持长时间的耐辐照可匏性及与高温工质的相容性。在材料选型的基础上，还需进一步对燃料芯体的成分配比与粉末制备工艺、结构元件的密封焊接工艺等进行深入研究，最终掌握空间核反应堆芯体制造工艺。5 .轻质高效核描射屏蔽技术在空间核反应堆的利用过程中，需要对堆芯进行有效的辅射屏蔽,由于不同材料能够屏蔽不同种类的射线，一般通过多种材料复合的方式获得轻质高效的核辐射屏蔽层。例如，Y射线能够在具有高原子序数的贫化铀或铛材料中迅

13、速衰减，而热中子则能够被碳化硼或氢化锂等含有轻元索的材料来慢化和吸收。不同材料之间具有不同的耐温性能及辐照肿胀特性，需要在综合考虑轻质化要求的基础上，对复合层进行合理设计，避免层面脱落破坏屏蔽。（三）提升研发的经济性与实效性时代的发展对此类大体量涉核研究的经济性与实效性都提出了更高的要求，世界各国在充分利用现有陆地核反应堆技术的基础上,普遍采取国际合作和民间融资的方式，均摊研发风险,提高研发效率。以美国Ki1.opower项目为例，NASA在分系统中广泛采用包括斯特林发电机在内的成熟商业组件，有效提高了总体方案的可靠性。近年来，国际政治局势和经济形势发生重大变化，我国更应积极推动空间核动力发展

14、在缺乏国际合作的情况下充分利用民间资本与技术，特别是适当放开非核动力组件，利用我国商业制造能力优势促进总体研发能力的提升。在动力系统试验中广泛采用非核试验，降低试验难度和维护成本,在没有辐射安全风险的前提下，通过电加热模拟核反应堆对动力组件的热可靠性进行充分论证。在空间堆系统试验中对辐照特性进行测试,建立完善的核辐照仿真方法，尽可能在涉核试验前提高技术成熟度，将失败甚至泄漏风险降至最低。四、结束语面向未来超远距离的深空探测任务，空间核动力凭借其高比冲、大推力、氏寿命等特点，成为此需求下目前最为可行的空间推进方案，尤其是利用核能热电转换与电推进系统共同实现的核电推进方式。目前，大多数国家都涉足

15、空间核动力方案的探索，尤其是美国、俄罗斯等航天强国。综合各国的技术发展路径和最新研究成果来看，由于空间核动力具有极高的能量密度和运行稳定性，发展空间核动力飞行器是未来深空探测的必由之路。各个国家也根据H身技术条件确定了适合自己的发展路线，大功率核电推进逐渐成为近年来该领域的主流选择。目前，我国在空间核动力领域还尚未有国家层面的发展规划出台,技术储备仍然比较薄弱，相关的科研力量也较为分散。虽然相关机构在各个子系统的重点技术方面进行了一定的理论可行性研究与性能提升工作，但仍然缺乏系统级的统筹协调，难以形成研究合力。我国现阶段亟须在充分论证的基础上建立中长期规划，重视空间核动力技术的发展，尽早建立健全空间核安全评估体系，识别关键技术及发展方向，同时提升研发的经济性与实效性。