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【三海一核】哈尔滨工程大学
【知识】《中国核工业报》:美俄两国空间核动力发展概览
16-11-22 作者:佚名   编辑:胡仪

空间核动力包括空间核电源和核推进,用来给航天器提供电能和推进动力。空间核动力是军民两用技术,可以满足通信卫星、军用卫星、空间站、空间运输、空间武器、空间作战平台、深空探测、外星基地等对电能和推进动力的需求。

空间核动力的能量来源是核能。目前,空间核动力利用的主要是核反应堆产生的裂变能和放射性同位素的衰变能。根据不同的任务需求、通过不同的方式,空间核动力装置可以把核能转变成电能和推进动力。

空间核电源:易于实现大功率供电

目前,航天器使用的空间电源主要有三类:化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源和核电源。化学电池结构简单,工作可靠,内阻小,工作电压平稳,适合大电流放电,但工作寿命短,低温性能差,功率也比较小,最多到几百瓦。太阳能电池阵-蓄电池组联合电源技术成熟,性能可靠,工作寿命长,供电能力强,可实现数十千瓦的电功率,是现在应用最为广泛的空间电源。

但是,在大功率条件下,采用太阳能电池阵将带来一些难题:依赖光照条件;大面积的太阳阵对机动飞行和低轨道飞行带来较大阻力,需要携带大量燃料进行轨道维持,同时也存在安装和展开的技术困难;展开面积大,结构复杂,难以实现高精度和高稳定度的姿态控制;受空间碎片、陨石和外部打击面大,也容易受辐射等因素的影响;在阴影、深空等环境下不能工作。所以,太阳能电池阵-蓄电池组联合电源在军事航天方面无优势可言,而深空探测则不能使用太阳能电池阵-蓄电池组联合电源。

放射性同位素电源功率小,寿命长,工作可靠,已广泛用于对功率需求不大的各种空间任务中。

空间核反应堆电源技术难度高,研制周期长,要考虑辐射防护和核安全等特殊问题。但空间核反应堆电源具有重要优势:易于实现大功率供电,能为航天器提供数千瓦至数兆瓦的电能;能量密度大,在高功率下,质量比功率优于太阳能电池阵-蓄电池组联合电源系统,重量轻、体积小、比面积小、阻力小、受打击面小,隐蔽性好;功率调节范围大,具有快速提升功率的能力,机动性高;不依赖太阳辐射能,不需要对日定向,可全天时、全天候连续工作;环境适应性好,具有较强的抗空间碎片撞击能力,可在尘埃、高温、辐射等恶劣条件下工作。空间核反应堆电源是军事航天的理想电源,是深空探测不可替代的空间电源。

早在20世纪50年代美国和俄罗斯(前苏联)就正式开始研发空间核动力技术,主要着眼于装备军用卫星、战略弹道导弹、巡航导弹等,投入了大量的人力、物力和财力,取得了重大成果。

美国:到本世纪初,已在26次空间任务中使用核动力

1955年,美国制定了SNAP(SystemforNuclearAuxiliaryPower)计划。1961年,发射了装备有放射性同位素电池(SNAP-3B7)的宇宙飞行器。1965年,SNAP-10A空间核反应堆电源在Snapshot宇宙飞船上进行了试验。SNAP-10A是世界上第一个空间核反应堆电源,也是美国发射使用的唯一一个空间核反应堆电源,电功率500瓦,在空间运行了43天。到本世纪初,美国已在25次空间任务(例如“先驱号”、“伽利略”号、“卡西尼”号等)中使用了放射性同位素电源系统,最大的电功率达300瓦。

到20世纪末,美国执行过的、与研发空间核动力有关的重要计划还有:

“核火箭发动机研究计划”(ROVER/NERVA)(1955~1973),建造了20座全尺寸的、用于核火箭试验的固相核反应堆(包括颗粒床反应堆),进行了除飞行试验外的多种试验。颗粒床反应堆成为80年代初期“森林之风”(Timberwind)项目、也即后来的“空间核热推进”(SNTP)项目的基础。

“战略防御计划”(SDI)(80年代中至90年代初),其中包括“SP-100”计划,即研制电功率100千瓦、寿命7~10年、重量3吨的热电直接转换的空间核反应堆电源,应用方向是空间武器和核电推进。1993年,SP-100系统已达到详细设计和部件验证阶段;燃料元件的关键测试已经完成,制造工艺和性能证明是合格的;材料考验回路运行了数千小时而没有损坏,验证了传热系统材料和设计的适用性;电磁泵的磁性试验已经完成,设计已通过最终审定;控制系统软件已经被确认;热电转换材料的研发已达到设计水平。SP-100的研究成果为随后的“空间探索计划”(SEI)提供了强有力的技术支撑。

“空间探索计划”(SEI)(90年代初),即老布什总统鼓吹的人类登陆火星计划。该计划的初步实施,明确了人类登陆火星任务的基本要求,以及满足这些要求相应的核热推进系统所应达到的性能指标。这几个计划都没有最终完成。

从2003年起,美国开始执行所谓“普罗米修斯”(Prometheus)计划。在技术层面上该计划包括研发新一代放射性同位素电源系统、以裂变核反应堆为基础的空间电源系统和先进的电推器、“木星冰覆卫星轨道器”(JIMO——JupiterIcyMoonsObiter)三项内容。目标任务是研究带有核电推进系统的星际宇宙飞船以探测木星最大的天然卫星。

奥巴马执政以来,在航天科技领域美国更倾向于开展包括登陆火星任务在内的深空探测上。

俄罗斯:发展重点是空间核反应堆电源和核热推进

俄罗斯虽然很早就成功研发和应用了钋-210放射性同位素电池,但发展重点却是空间核反应堆电源和核热推进。从1961年起,俄罗斯研发了四种型号的空间核反应堆电源系统:ROMASHKA转换器-反应堆、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。前两个为小型快堆,热电偶直接转换;后两个为超热中子堆,热离子直接转换。从1967年开始,俄罗斯先后把31个BUK型空间核反应堆电源成功应用在宇宙飞船的海上雷达观测上。1987年,两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源在Cosmos-1818和Cosmos-1867宇宙飞船上成功地进行了试验。俄罗斯的TOPAZ型热离子空间核反应堆电源被认为是世界上迄今为止最先进的空间核电源。

俄罗斯研发核热推进的工作始于1950年。在1965年,决定建造冲力36kN、比冲大于900秒的核火箭发动机RD-0410(11B91)。为了提供与核热推进系统实际运行工况一致的试验条件,专门建立了“IGR”高通量石墨脉冲堆、“IVG-I”实验反应堆和“IRGIT”实验性原型堆。在“IGR”反应堆上完成了核热推进系统燃料元件的动态试验,在“IVG-1”反应堆上完成了燃料组件的寿命考验,把“IRGIT”实验性原型堆运行到90兆瓦的功率水平。成功研制了核火箭发动机的燃料元件和燃料组件,建造了RD-0410型核火箭发动机试验样机,在著名贝加尔试验台架上完成了全尺寸核火箭发动机反应堆的几个试验系列。

苏联解体后,俄罗斯政府在1998年发布了《俄宇航核动力发展构想》,强调要继续保持在空间核动力领域的国际领先地位。2009年10月,俄罗斯宣布了功率为兆瓦级“核飞船”的研制计划。投资6亿美元,研发周期9年,2018年发射升空。

发展前景

空间核动力的发展取决于空间任务对它的需求。在20世纪末,俄罗斯航天局、国防部和原子能部的一些机构对有发展前景的航天任务进行了系统研究,认为要实现这些任务必须有高水平的空间电源和推进动力做保证。其中,起主要作用的除了太阳能发电外,还有空间核动力。

从空间核动力的发展过程和对未来空间任务需求分析,可以预测空间核动力的发展趋势应是:

大功率、长寿命的空间核反应堆电源。空间核反应堆电源是空间核动力的最重要组成部分,发展大功率、长寿命空间核反应堆电源的关键问题是选择热电转换的类型。对于空间核反应堆电源最严峻的问题是要达到10年或更长的寿命。在飞行条件下,TOPAZ-1型空间核反应堆电源的寿命已达到1年;在地面试验中,TOPAZ-2型空间核反应堆电源的寿命达到了3年。在地面的布雷顿转换器的寿命超过50000小时,但并不清楚这一寿命将受到核反应堆辐射和空间条件怎样的影响。要想获得10年左右的寿命,除了解决设计、材料和工艺问题外,还需建立一些适合的试验装置以及研发加速试验的方法。另外,提高热电转换效率也是空间核反应电源需要大力解决的重要问题。

最具吸引力、也比较现实的是研制电功率几十千瓦至100千瓦静态转换(热离子转换和热电偶转换)的空间核反应堆电源。静态转换没有转动部件,工作比较可靠,容易实现较长的工作寿命,空间姿态控制也比较容易。与热电偶转换相比,热离子转换效率较高,所需的辐射散热器较小,结构相当紧凑,更适合军用。在几十到100千瓦的功率范围内,综合考虑效率、质量、体积、技术成熟度、研制成本等因素,热离子转换的空间核反应堆电源将是极有发展前途的空间核电源。而且,大功率、长寿命的空间核反应堆电源也是核电推进的能源基础。

以热离子空间核反应堆电源为基础的核电推进系统。把空间核反应堆电源与电推进器相结合,可以构成既能供电又能提供推力的核电推进系统。这种核电推进系统方案在技术方面是最为成熟的,它能够保证将最大的有效载荷送至高功率轨道(如对地静止轨道或者星际轨道)。核电推进系统是无人深空探测宇宙飞船的最佳推进方案。美国“普罗米修斯”计划一度把研发重点放在核电推进系统上。2003年12月至2004年2月,美国对NEXIS、HIPEP、Brayton-NSTAR等核电推进系统设计方案分别进行了验证性试验,均达到了预期结果,从中可以看出核电推进在空间核动力及其应用中的重要地位。

中小型核火箭发动机(例如推力68kN,比冲不小于900秒,质量3吨左右的核火箭发动机),在一次航程中可以把10吨的有效载荷输送到月球上去,不仅满足探测任务以及在月球上建立人类永久性基地的需求,而且也能保证运输用于生产“月球”氧以及相关材料的工艺设备。装备有这种核火箭发动机的宇宙飞船可以高效地围绕地球空间运输货物。

具有大推力、高比冲特点的核火箭发动机,是载人深空探测宇宙飞船不可替代的推进系统。载人火星探测方面的初步研究结果表明,采用这样的核火箭发动机可以很快通过地球的辐射带,并且可以降低飞船的发射质量。而载人火星飞船的推进系统可以把四个这样的核火箭发动机“捆绑”在一起而构成。俄罗斯研发的新一代核火箭发动机设计方案,就选择了这样的性能参数。

双模式(电源/推进)空间核动力系统有推进和供电的双重功能,作为运输-电源舱的主要部分,可以把航天器送入对地静止轨道和星际运行轨道,并在工作寿期内始终为船载系统供电,是最为有利和有效的。双模式(电源/推进)空间核动力系统是空间核反应堆电源技术与推进(核热推进和电推进)技术的高度有机结合,有各种不同的方案。最具代表性的是以核火箭发动机和动态能量转换技术为基础的双模式空间核动力系统,以及以空间核反应堆电源和电推进为基础的双模式空间核动力系统(也就是核电推进系统)。对于要求快速进入轨道的飞行任务(特别是载人的星际飞行情况),双模式(电源/核热推进)空间核动力系统比较可取;而对于无人的运载任务,使用双模式(电源/核电推进)的空间核动力系统更合适些。

兼有电源的和推进功能的双模式空间核动力系统代表着空间核动力的未来发展方向。


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