空间核子动力的发展概况.doc

空间核子动力的发展概况1 空間核子動力的分類 空間核子動力包括空間核電源和核子推進,用來給航天器提供電能和推進動力.空間核子動力是軍民兩用技術,可以滿足通信衛星、軍用衛星、空間站、空間運輸、空間武器作戰平臺、深空探測、外星基地等對電能和推進的需求.1.1 空間核電源 空間核電源分為空間核反應爐電源和放射性同位素電源.空間核反應爐電源通過靜態轉換或動態轉換的方式把核反應爐的裂變熱能轉變為電能.靜態轉換直接把裂變熱能轉變為電能,通常採用熱電偶轉換和熱離子轉換方式.動態轉換先把裂變熱能轉變為機械能,再把機械能轉變為電能,一般採用佈雷頓迴圈、朗肯迴圈和斯特林迴圈中的一種.放射性同位素電源分為放射性同位素電池和放射性同位素動態發電系統兩種,前者採用的是熱電直接轉換的熱電偶轉換方式,後者則採用動態轉換方式.一般說來,靜態轉換技術難度較小,但轉換效率較低；動態轉換技術難度大,轉換效率較高.另外,放射性同位素熱源也廣泛用於空間任務中.1.2 核子推進 核子推進分為核熱推進和核電推進.核熱推進與核電推進的共同點都是以核能(例如核反應爐的裂變熱能)作為推進的能源.區別之處在於,核熱推進利用核反應爐核裂變產生的熱量直接加熱推進工質；核電推進則是先把裂變熱能轉變為電能之後,再利用電能電離和加速推進工質.兩者相比,核熱推進的推力可以很大,比沖卻不如核電推進高；核電推進的比沖很高,但推力卻比較小. 1.3 雙模式(電源/推進)空間核子動力系統 把空間核反應爐電源和核子推進相結合,可以構成既能給航天器提供電能,又能提供推進動力的功能強大的空間核子動力系統,如空間核反應爐電源/核熱推進系統,以及空間核反應爐電源/核電推進系統. 2 空間核子動力的特點 2.1 空間核電源的特點 目前,航天器使用的空間電源主要有3類：化學電池、太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源和核電源.化學電池結構簡單,工作可靠,內阻小,工作電壓平穩,適合大電流放電,但工作壽命短,低溫性能差,功率也比較小,最多到幾百W.太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源技術成熟,性能可靠,工作壽命長,供電能力強,可實現數十kW的電功率,是現在應用最為廣泛的空間電源. 但是,在大功率條件下,採用太陽能電池陣將帶來一些難題：依賴光照條件,對發射窗口、軌道參數、飛行程式、飛行姿態和對日定向等均有嚴格限制,對航天器總體設計提出了比較苛刻的要求；大面積的太陽能電池陣對機動飛行和低軌道飛行帶來較大阻力,需要攜帶大量燃料進行軌道維持,同時也存在安裝和展開的技術困難；展開面積大,結構複雜,難以實現高精度和高穩定度的姿態控制；受空間碎片、隕石和外部打擊面大,也容易受輻射等因素的影響,從而造成破損、性能下降或失效,生存能力差；在陰影、深空等環境下不能工作.所以,太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源在軍事航太方面沒有優勢,而深空探測則不能使用太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源. 放射性同位素電源(主要指熱電直接轉換的放射性同位素電池)功率小,壽命長,工作可靠,已廣泛用於對功率需求不大的各種空間任務中.空間核反應爐電源技術難度高,研製週期長,要考慮輻射防護和核安全等特殊問題.但空間核反應爐電源具有重要優勢：易於實現大功率供電,能為航天器提供數kW至數MW的電能；能量密度大,在高功率下,品質比功率優於太陽能電池陣-蓄電池組聯合電源系統；重量輕、體積小、比面積小、阻力小、受打擊面小,隱蔽性好；功率調節範圍大,具有快速提升功率的能力,機動性高；不依賴太陽輻射能,不需要對日定向,可全天時、全天候連續工作；環境適應性好,具有較強的抗空間碎片撞擊能力,可在塵埃、高溫、輻射等惡劣條件下工作.空間核反應爐電源是軍事航太的理想電源,是深空探測不可替代的空間電源.2.2 核子推進的特點 核熱推進系統(即核火箭發動機)與液體火箭發動機很相似,主要差別在於核熱推進系統利用核反應爐替代了液體火箭的燃料燃燒室,用單組分的工作介質氫替代了液體火箭發動機的雙 元液體推進劑(液體燃料和液態氧). 從原理上分析,核熱推進系統與化學火箭發動機相比具有3個優點.第1,核裂變(或核聚變)過程中釋放出來的巨大能量是化學燃燒(或 爆炸)產生的能量所不能比擬的,兩者之差是100萬倍.歸根結蒂,能量是推進動力的源泉. 第2,與巨大的能量釋放相對應,核裂變(或聚變)比化學反應能獲得更高的溫度.高溫或超高溫是使工作介質達到高流速、火箭達到高比沖的決定性因素之一.第3,核熱推進系統只需要一種成分的工作介質,而不像化學火箭那樣需要兩種(如液體火箭)或兩種成分以上(如固體火箭)的工作介質. 比沖(Is)是火箭發動機最重要的性能參數之一,也叫比推力,單位是“秒(s)”.核熱推進系統的根本優勢就在於可以利用分子量最小的單組分工作介質得到最大的比沖.如果以“氫”作為工作介質,在其他因素相同的條件下,核熱推進系統的比沖要比化學火箭的高出2倍多.由於比沖高,完成相同的空間飛行任務,核熱推進系統所需推進劑的品質僅為化學火箭發動機推進劑品質的1/3.而所需的任務成本不到化學火箭發動機的44.表1給出了利用核熱推進系統和化學火箭發動機完成火星任務的計算結果.從中可以看出,與現行的化學火箭發動機相比,核熱推進系統具有極大的優越性. 表1 火星往返飛行任務 參數 化學火箭(H2/O2) 核熱火箭 (固態芯) 有效載荷/t 100 100 飛行時間/a 1 1 等效速度變化/kms-1 7.7 7.7 比沖(Is)/s 500 1000 品質比(初始/最終) 4.806 2.192 結構品質/t 25 15 推進劑品質/t 475 137 在低地軌道總的 初始品質/t 600 252 有效載荷份額/% 0.167 0.397 任務成本/億美元 30 13 核電推進系統(核電火箭發動機)的技術基礎是空間核反應爐電源和電火箭技術.核電推進系統的特點是具有極高的比沖(例如8000s)和較大的推力(0.66N).把核電推進系統用於地球衛星的位置保持、般天器的軌道轉移和深空探測,可以極大地提高航天器的效能比. 3 空間核子動力的發展概況 早在20世紀50年代,美國和俄羅斯(以下均含前蘇聯)就正式開始研發空間核子動力技術,主要著眼於裝備軍用衛星、戰略彈道導彈、巡航導彈等軍用目的.投入了大量的人力、物力和財力,取得了重大成果.3.1 美國的情況 1955年,美國制定了SNAP(System for Nuclear Auxiliary Power)計畫.1961年,發射了裝備有放射性同位素電池(SNAP-3B7)的宇宙飛行器.1965年,SNAP-10A空間核反應爐電源在 Snapshot 太空船上進行了試驗.SNAP-10A 是世界上第1個空間核反應爐電源,也是美國發射使用的惟一1個空間核反應爐電源,電功率500W,在空間運行了43天.到本世紀初,美國已在25次空間任務(例如“先驅號”、“伽利略”號、“卡西尼”號等)中使用了放射性同位素電源系統,最大的電功率達300W. 到20世紀末,美國執行過的、與研發空間核子動力有關的重要計畫還有： (1)核火箭發動機研究計畫(ROVER/NERVA)(19551973年),建造了20座全尺寸的、用於核火箭試驗的固相核反應爐(包括顆粒床反應堆),對“NERVA”核火箭進行了除飛行試驗之外的多種試驗.顆粒床反應堆成為上世紀80年代初期“森林之風”(Timberwind)專案、也即後來的“空間核熱推進”(SNTP)專案的基礎. (2)戰略防禦計畫(SDI)(上世紀80年代中期至90年代初期),其中包括“SP-100”計畫,即研製電功率100kW、壽命710年、重量3t的熱電直接轉換的空間核反應爐電源,應用方向是空間武器和核電推進.1993年,SP-100系統已達到詳細設計和部件驗證階段,所有與反應堆有關的可行性問題都成功地得到解決；燃料元件的關鍵測試已經完成,製造工藝和性能證明是合格的；材料考驗回路運行了數千小時而沒有損壞,驗證了傳熱系統材料和設計的適用性；電磁泵的磁性試驗已經完成,設計已通過最終審定；控制系統軟體已經被確認；熱電轉換材料的研發已達到設計水準.SP-100的研究成果為“空間探索計畫”(SEI)的核電推進方案提供了強有力的技術支撐. (3) 空間探索計畫(SEI)(上世紀90年代初期),即老布希總統鼓吹的人類登陸火星計畫.該計畫的初步實施,明確了人類登陸火星任務的基本要求,以及滿足這些要求相應的核熱推進系統所應達到的性能指標,見表2和表3. 這幾個計畫都沒有最終完成.表2 載人的火星探測任務要求 參數 發射時間/a 2016 發動機開始使用時間/a 2015 系統初始品質/t 124 軌道配置/km 407 返程品質/t 40 任務週期/d 600 火星表面停留時間/d 30 反應堆最大輻射 人員艙可靠性 0.995 設備艙可靠性 0.975 表3 核熱推進系統的設計參數 參數 發動機的總衝力/kN 334 發動機數量/臺 1 反應堆熱功率/MW 1500 發動機衝力/重量比 41 比沖/s 850 噴管擴展比 1001 推進運行時間/min 120 任務次數 1 起動迴圈次數 6 任務時間/d 434 從2003年起,美國開始執行所謂“普羅米修斯”(Prometheus)計畫.在技術層面上該計畫包括研發新一代放射性同位素電源系統、以裂變核反應爐為基礎的空間電源系統和先進的電推器、“木星冰複衛星軌道器”(JIMO-Jupter Icy MoonsObiter)3項內容.目標任務是研究帶有核電推進系統的星際太空船以探測木星最大的天然衛星.美國對3種空間核反應爐電源系統進行了評價：液態金屬冷卻的核反應爐、熱管冷卻的反應堆,以及氣體直接冷卻的核反應爐.這3個系統都是以高濃鈾為燃料的快堆,採取動態能量轉換方式. 可以說,“普羅米修斯”計畫是“SNAP”計畫和“ROVER/NERVA”計畫的綜合與繼續.3.2 俄羅斯的情況 俄羅斯雖然很早就成功研發和應用了釙-210放射性同位素電池,但發展重點卻是空間核反應爐電源和核熱推進.從1961年起,俄羅斯研發了4種型號的空間核反應爐電源系統：ROMASHKA轉換器-反應堆、BUK型空間核反應爐電源、TOPAZ-1型空間核反應爐電源和TOPAZ-2型空間核反應爐電源.前兩種為小型快堆,熱電偶直接轉換；後兩種為超熱中子堆,熱離子直接轉換.從1967年開始,俄羅斯先後把31個BUK型空間核反應爐電源成功應用在太空船的海上雷達觀測上.1987年,兩個TOPAZ-1型空間核反應爐電源在Cosmos-1818和Cosmos-1867太空船上成功地進行了試驗.俄羅斯的TOPAZ型熱離子空間核反應爐電源被認為是世界上迄今為止最先進的空間核電源. 俄羅斯研發核子推進的工作始於1950年.在1965年,決定建造衝力36kN、比沖大於900s的核火箭發動機RD-0410(11B91).為了提供與核熱推進系統實際運行工況一致的試驗條件,專門建立了“IGR”高通量石墨脈衝堆、“IVG-I”實驗反應堆和“IRGIT”實驗性原型堆.在“IGR”反應堆上完成了核熱推進系統燃料元件的動態試驗,在“IVG-1”反應堆上完成了燃料組件的壽命考驗,把“IRGIT”實驗性原型堆運行到90MW的功率水準.俄羅斯在核熱推進方面取得的重大成就在於,成功研製了核火箭發動機的燃料元件和燃料組件,建造出了RD-0410型核火箭發動機試驗樣機,在著名貝加爾試驗台架上完成了全尺寸核火箭發動機反應堆的幾個試驗系列,驗證了建造核火箭發動機以及雙模式(電源/推進)空間核子動力系統的可行性. 蘇聯解體後,俄羅斯政府在1998年發佈了俄宇航核子動力發展構想,強調要繼續保持在空間核子動力領域的國際領先地位,明確指出空間核子動力主要用於發展基礎軍事技術,滿足國防軍用的需要.重點技術任務是建立科學技術基礎,保證在2010年前後研製出電功率為 100kW 的空間核反應爐電源.遠景目標是研製電功率500kW 或者功率更高的空間核反應爐電源,以及太空船的核“運輸-電源艙”(TPM：TramsportPowerModule).近幾年來,俄羅斯空間核子動力專家一直在進行“ISTC專案No.2120”,設計雙模式(電源/推進)核火箭發動機系統和雙模式核電推進系統,用於載人和載物的登陸火星的太空船.早在2003年,俄羅斯航空航天局就已經開始了“火星-XXI”研究計畫.3.3 美俄發展水準的比較 在空間核子動力技術領域,美國和俄羅斯各有所長.在放射性同位素電源方面,美國領先於俄羅斯,單個電源的功率水準達到了300W左右.在空間核反應爐電源方面,俄羅斯卻遙遙領先於美國.在19911994年期間,美國從俄羅斯引進了6座TOPAZ-2型空間熱離子核反應爐電源試驗樣機(不含核燃料),進行了大量的實驗