【《核动力航天器的研究现状文献综述》2900字】

核动力航天器的研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u26179核动力航天器的研究现状文献综述 1117771.1我国核动力航天器的研究现状 1274491.2美国核动力航天器的研究现状 1159161.3俄罗斯/前苏联核动力航天器的研究现状 435031.4欧洲核动力航天器的研究现状 619845参考文献 71.1我国核动力航天器的研究现状到2021年，中国的以核动力为动力来源的航天器研制已经走过了50余载。我国于2004年启动航天同位素电池的研发，并且于两年后成功研制出了国内第一个同位素电池。根据权威消息，我国的空间核反应堆的研究工作曾经中断，但第九个五年计划期间，我国再次将空间核反应堆研究列入预先研究项目，由原子能院和空间技术研究院一起负责，完成了空间核反应堆设计理念。第十个五年计划以来，我国开始了空间核反应堆的初步设计和关键技术研究，在试验技术、制造技术、设计技术以及安全研究等方面均取得了重大的进步。研究现在位于从设计到施工的承接阶段，正着手关键部件设施的研制以及各项指标实验。2013年12月，我国顺利完成了空间大功率核电推进方案研究工作[9]。空间核动力研究是中国航天事业迈向更辽阔宇宙必须走的研究之路。1.2美国核动力航天器的研究现状在20世纪，美国提出了航天核动力计划和倡议，构成了核动力航天器发展的主要推动力。20世纪50年代至70年代，美国以核辅助电源系统计划（SNAP）[10]为中心开展了很多设计和研发活动，设计了SNAP-2、SNAP-8、SNAP-10A、SNAP-50等多种反应堆系统。1965年4月，美国将输出电功率为500We的SNAP-10A成功送上太空，SNAP-10A是世界上首次发射到太空的核反应堆电源,SNAP-10A结构示意图如图1-5[7]、图1-6[8]所示。图1-5SNAP-10A核反应堆[7]图1-6SNAP-10A核电源系统总图[8]20世纪90年代初，美国重启了宇宙空间核反应堆电源的研究开发，以“SP-100计划”为主进行了研究工作。该计划于1995年完结时，电源研究已经到了微小工件设计和验证部件的阶段[11-14]。SP-100采用氮化铀作为燃料、采用高温锂冷却快堆、硅锗温差热电偶转换以及辐射散热器，总重量4.6吨，直径为4米、长6米，示意图如图1-7[8]。图1-7SP-100核电源系统总图[8]2002年2月，美国宇航局（NASA）开启太空核能倡议计划（NSI）[15-16]，该计划目标是研究核电推进技术以及大功率空间核反应堆电源技术。NSI确定了生产电功率为200千瓦的气冷快堆的核反应堆电源系统方案。开展了相关试验工作并且建造了以布雷顿循环为基础的发电机样本机[17]。自2006年开始，美国在研究开发战略上进行调整，选择利用当时已经完善的技术，将包括为外星基地提供电能的经济可承受外星表面裂变电源计划（AFSPS）[18]以及千瓦级电源计划（Kilopower）[19-20]纳入研究开发的重点计划。2015年，美国开启“以斯特林技术为基础的千瓦级反应堆检验”项目（KRUSTY）[21]，目前已在地面完成原型核反应堆建设，预计到2022年，美国千瓦级核反应堆电源将具备用于飞行的条件。AFSPS电功率为40千瓦，使用寿命约为6年，在月壤屏蔽模式下AFSPS系统总重量约为5吨，在全集成屏蔽模式下总重量约为9吨。该系统设计采用UO2燃料、Na-K液态金属冷却堆、自由活塞式斯特林发电机、Ti热管辐射器，其概念图如图1-8。图1-8AFSPS参考概念图（月壤屏蔽模式）[8]Kilopower采用U-Mo合金燃料、Na热管冷却快堆、钛水热管式辐射器。该技术的电源系统可达到电功率10千瓦，其中1千瓦的方案重量在400千克左右，10千瓦的方案系统重量约为1.5吨，系统的使用年限可达10年[22]。图1-9Kilopower小型轻量级裂变反应堆[22]图1-10Kilopower电源系统散热器展开与非展开形态[8]1.3俄罗斯/前苏联核动力航天器的研究现状1956年开始，前苏联进行空间核反应堆电源技术的研究，至苏联解体之前，总共开发了4种模型（Romashka、BUK、TOPAZ-I和TOPAZ-II）[23-25]，其中使用空间核反应堆电源作为动力来源的军事侦察卫星一共发射了34颗。1960年代，苏联研发出BUK型核反应堆电源，这是最初的实用型空间核反应堆电源。从20世纪70年代起，前苏联共有32个BUK型电源用于RORSAT卫星，最长任务持续时间135天。BUK型核反应堆电源电功率3千瓦，重量约为1吨，使用寿命6个月左右。采用U-Mo合金燃料、Na-K液态金属冷却堆、BUK核电源系统总图如图1-11。图1-11BUK核电源系统总图[8]TOPAZ-I型使用寿命12个月，输出电功率约为7千瓦，总的重量约为1000千克。系统采用UO2作为燃料、ZrH2慢化超热堆、Na-K液态金属回路冷却堆、回路式辐射散热器，TOPAZ-I核电源系统示意图如图1-12。图1-12TOPAZ-I核电源系统总图[8]2009年，俄罗斯实施“兆瓦级”空间核动力飞船研发计划[26-27]，如图1-13[28]和图1-14[8]所示，开启了俄罗斯空间核动力发展的新阶段。此外，俄罗斯还在开展核热推进项目的研究。同时，还开展了核动力载人飞船的研究。图1-13俄罗斯兆瓦级核动力飞船的设计[28]图1-14俄兆瓦级核动力飞船装备的核反应堆电源概念图[8]由此可见，进入21世纪以后，核动力航天器有了新的发展，美俄两国纷纷将研究方向变化到兆瓦级核动力航天器的研制上。1.4欧洲核动力航天器的研究现状欧洲航天局与美国宇航局合作进行了“Ulysses”和“Cassini-Huygens”探测器的研发，收获了核动力航天器的研究经验。法国独立开展了空间核动力项目研制。20世纪80年代，法国开始了埃拉托计划，使用快中子堆，同时以布雷顿循环为基础进行涡轮发电，功率约为200千瓦，使用寿命10年左右，目的是在地球同步轨道上的电推进。1990年起，法国进行了核热推进系统的研究。在世界多极化格局日趋明显的新世纪，欧洲发出了发展自己的核动力航天器的呼声。2001年，欧空局启动了“曙光”（Aurora）计划。此计划包含了载人深空探测的内容，最终目的是将宇航员送上月球和火星。为了深空探测任务，欧空局已启动了RTG和RHU的研制工作。RTG使用斯特林转换，计划于2017年具备生产能力，功率优于100瓦，效率15%～30%，寿命长于20年；RHU功率5瓦，寿命长于20年。欧空局特别提出，RTG和RHU的所有原材料和燃料都应能在欧洲境内获得。21世纪初，法国开始进行电推进系统的研究。现阶段，法国正在进行百千瓦级空间核反应堆电源的研究。在诺奖获得者CarloRubbia的带领下，意大利从19世纪末就开始进行对基于核裂变方式的推进系统的研究并且一直持续到现今。该系统使用Am-242作为燃料，有望实现空间的高速移动[26-27]。参考文献[1]伍赛特.航天用燃料电池技术发展及展望[J].上海节能,2019(10):829-832.[2]曹思瑶.航天电源技术的发展与应用[J].科技展望,2016,26(25):167.[3]杨紫光,叶芳,郭航,马重芳.航天电源技术研究进展[J].化工进展,2012,31(06):1231-1237.[4]MaidanaCO.OverviewonSpaceNuclearSystems[M]//Thermo-MagneticSystemsforSpaceNuclearReactors.Springer，Cham，2014：5-14.[5]苏光辉,章静,王成龙.核能在未来载人航天中的应用[J].载人航天,2020,26(01):1-13.[6]IAEA.Theroleofnuclearpowerandnuclearpropulsioninthepeacefulexplorationofspace[R].Vienna：IAEA，2005[7]闫锋哲,陈章隆.空间核反应堆电源发展及应用[J].科技创新导报,2019,16(12):21-22+24.[8]胡古,赵守智.空间核反应堆电源技术概览[J].深空探测学报,2017,4(05):430-443.[9]本刊综合.中国核动力航天器进行时[J].晚霞,2014(14):40.[10]VossSS.SNAPreactoroverview[R].USA:AirForceWeaponsLaboratory,1984.[11]CoomesEP,BambergerJA,DagleJE,etal.AnintegratedmissionplanningapproachfortheSpaceExplorationInitiative,PHL-SA-20524[R].USA:PacificNorthwestLaboratory,1992.[12]PlutaPR,SmithAM,MatteoND.SP-100,aflexibletechnologyforspacepowerfrom10sto100sofkWe[R].USA:IEEE,1989.[13]BudenD.Summaryofspacenuclearreactorsystems(1983-1992)[R].USA:AIP,1993.[14]MarriottAT，FujitaT.EvolutionofSP-100systemdesigns[C]//11thSymp.SpaceNuclearPowerandPropulsion.USA：[s.n.]，1994.[15]朱毅麟.美国太空核动力计划重开张——“普罗米修斯”计划一瞥[J].国际太空,2004,(09):26-30.[16]AshcroftJ，EshelmanC.SummaryofNRprogramprometheusefforts(C)//USA:ProceedingsoftheSpaceTechnologyandApplicationsInternationalForum.USA:STAIF,2007.[17]杨斌,杨磊,郑再平,王开春,李月.月球钍元素发电技术研究综述[J].载人航天,2020,26(03):374-380.[18]MasonL,PostonD,QuallsL.Systemconceptsforaffordablefissionsurfacepower,NASA-TM-2008-215166[R].USA:NASA,2008.[19]MasonL,GibsonM,PostonD.Kilowatt-classfissionpowersystemsforscienceandhumanprecursormissions[C]//USA:NETS-2013-6814,2013.[20]GibsonAM,MasonL.DevelopmentofNASA’ssmallfissionpowersystemforscienceandhumanexploration[R].USA:AIAA,2014.[21]SanchezRG,HutchinsonJD,PatrickRM,etal.Kilowa