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  深空探测学报  2017, Vol. 4 Issue (5): 397-404  DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.05.001
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引用本文 

朱安文, 刘磊, 马世俊, 李明. 空间核动力在深空探测中的应用及发展综述[J]. 深空探测学报, 2017, 4(5): 397-404. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.05.001.
ZHU Anwen, LIU Lei, MA Shijun, Li Ming. An Overview of the Use and Development of Nuclear Power System in Deep Space Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2017, 4(5): 397-404. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.05.001.

作者简介

朱安文(1970– ),男,研究员,主要研究方向:空间核动力,卫星总体设计。通信地址:北京市5142信箱377分箱(100094)电话:(010)68747049E-mail:obiwan2032a@sina.com。

文章历史

收稿日期:2017-09-17
修回日期:2017-10-02
网络出版时间:2017-10-01 12:00:00
空间核动力在深空探测中的应用及发展综述
朱安文1,2, 刘磊1,2, 马世俊2, 李明2    
1. 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;
2. 中国空间技术研究院,北京 100094
摘要: 在概要介绍空间核动力发展历程的基础上,总结了同位素热/电源、核反应堆电源、核推进在深空探测领域的应用情况和相关发展情况,并讨论了空间核动力的安全问题。对未来空间核动力在深空探测中应用面临的技术问题进行了展望。
关键词: 空间核动力    空间核电源    深空探测    空间核安全    
An Overview of the Use and Development of Nuclear Power System in Deep Space Exploration
ZHU Anwen1,2, LIU Lei1,2, MA Shijun2, Li Ming2     
1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China;
2. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China
Abstract: The history of the development of nuclear power system (nuclear power source, NPS) is reviewed in this paper, which contains radioisotope heater units (RHUs), radioisotope thermoelectric generators (RTGs), space nuclear reactors and nuclear propulsion systems. The use of NPS in deep space exploration and the current technical progress of NPS are illustrated in detail. Additionally, the problem of NPS safety is also discussed based on the international rules. The main technical issues and challenges of NPS are proposed when it’s applied in deep space exploration missions in the future.
Key words: nuclear power system    nuclear power source    deep space exploration    space nuclear safety    
0 引 言

空间核动力[1-2]泛指在空间应用核能的装置,该装置将核能转化为热能、电能或者推进的动能满足航天器飞行任务的需求。当前利用的核能主要是放射性同位素的衰变能和核反应堆中裂变材料的裂变能。深空探测是脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测[3]。本世纪的深空探测以太阳系空间为主(月球、火星、水星和金星、巨行星的卫星、小行星和彗星),兼顾宇宙空间的观测。

太阳能结合蓄电池是当前空间能源的主要形式,对于利用太阳能困难的航天任务以及大功率航天任务,空间核能的利用成为必然[4-8]。利用太阳能困难的航天任务主要包括月球表面[9]、火星表面[10]、木星及木星以远的深空飞行任务[11],大功率航天任务主要指载人深空飞行[10]

按照对核能利用形式,空间核动力技术通常分为空间核热源、空间核电源和空间核推进[1]。本文在概要介绍空间核动力发展历程的基础上,总结了同位素热源(Radioisotope Heat Unit,RHU)、同位素电源(Radioisotope Thermoelectric Generator ,RTG,也称同位素电池)、核反应堆电源、核推进技术在深空探测领域的应用情况和相关发展情况,并讨论了空间核动力的安全问题,并对未来空间核动力在深空探测中应用面临的技术问题进行了展望。

1 空间核动力

空间核动力的发展可以分为3个时期,即初创时期、星球大战时期和新世纪时期[2]

空间核动力从萌芽到成熟应用的时期,称为初创时期,时间跨度约从20世纪50年代初持续至70年代末。为了解决空间的投送运输问题,美国于1955年提出了“流浪者”计划(ROVER),后演变为NERVA计划(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)[12],主要发展核热推进技术。二战后,美国军方一直在寻找可为侦察卫星提供足够能源的设备,20世纪50年代初,美国空军和原子能委员会(Atomic Energy Commission,AEC)开始了空间核电源的研究工作。1955年,美国空军–原子能委员会(AF-AEC)联合工作组成立,随后空间核电源项目整合并更名为SNAP计划[4]。SNAP计划同时支持了核反应堆电源和RTG的预研,在SNAP计划推动下,1965年美国发射了首个也是唯一一个携带核反应堆电源的航天器(SNAP-10A),RTG则用作了导航卫星辅助电源,并支持了阿波罗登月信标机和一系列的无人深空探测任务[4, 8]。1973年,美国政府同时终止了支持NERVA和SNAP计划。SNAP计划产生的RTG继续得到应用[11],百瓦级的RTG(MHW-RTG)1976年成功应用在美国空军的LES-8/9通信卫星[11]上,1977年,由美国国家航空航天局(NASA)发射的Voyager1/2探测器也携带MHW-RTG,至今仍在工作。前苏联同期发展了核反应堆电源、RTG和核热推进项目,其中核反应堆电源BUK和TOPAZ-Ⅰ应用在雷达型海洋监视卫星RORSAT任务中[7]

从里根总统(Ronald Wilson Reagan)提出星球大战计划到苏联解体,再到苏联解体后俄罗斯持续约10年的不稳定时期,统称为星球大战时期,时间跨度约从20世纪80年代初持续至20世纪末。在这个时期美国继续在深空探测中使用RTG,同时发展核反应堆电源和核热推进,比较有代表性的是1983年起美国支持发展的SP-100计划[13](核反应堆电源)和SNTP计划[14](核热推进),后由于冷战的结束,于1993年终止。在RTG方面,考虑到核源的安全性和通用型,美国将SNAP型RTG、MHW-RTG升级为GPHS-RTG[15],成功应用在“伽利略号”(Galileo)木星探测任务(1989年)、Ulysses太阳极区探测(1990年)和“卡西尼号”(Cassini)土星探测(1997年)任务中。前苏联延续了核反应堆电源支持下海洋监视卫星的发射,解体后俄罗斯基本上停止了空间核动力活动。

进入21世纪后统称为新世纪时期,这个时期空间核动力的发展逐步以支持深空探测为主进行,中国发射了核动力深空探测器[16],欧盟也开始了相关研究。美国在GPHS-RTG的基础上,发展了MMRTG[17],应用于“勇气号”(Spirit)和“机遇号”(Opportunity)火星车(2003年),“新视野号”(New Horizons)冥王星探测(2006年),以及“好奇号”(Curiosity)火星车任务(2011年)。美国继续开展了核反应堆电源及大功率电推进的技术探索,用于无人及有人的深空探测任务[18]。俄罗斯和欧盟都开展了RTG和兆瓦级核反应堆电源结合电推的深空探测探索研究[19]。2013年,我国的“嫦娥3号”(CE-3)进行了月面着陆探测任务,在着陆器和巡视器均使用了RHU[16, 20]

2 空间同位素热/电源

通过寻找合适的空间电源发展起来的RHU/RTG,在发展初期主要支持近地轨道卫星任务,并在深空探测任务中得到了持续应用。

2.1 空间RHU

美国开发了标准RHU用于深空探测极端环境下的航天器设备供热[21]。RHU标准模块采用钚(Pu)238的氧化物(PuO2)作为RHU,初期热功率为1 W。如图 1所示,整个单元长3.2 cm,直径2.6 cm,质量为40 g,其中燃料球重2.7 g。最早应用RHU的航天器是Galileo木星探测器,共装配了120个RHU。随后“探路者号”(Pathfinder)火星车(1996年)安装了3个,Cassini土星探测器安装了117个,Spirit和Opportunity火星车各安装了8个[11, 17]

图 1 美国1 W标准模块RHU结构图[11, 17] Fig. 1 Diagram of 1 W standard heat source from USA

前苏联在月球表面探测中使用了RHU,分别是“月球17号”(Luna-17,1970年)和“月球21号”(Luna-21,1973年)[8]

中国的CE-3月面探测任务(2013),着陆器和巡视器均使用了RHU[16, 20]

RHU使用灵活,可以较好地解决深空极端环境下的热控问题。而且随着热管技术的进步,还可以可靠的利用RTG的废热,从2006年发射的New Horizons冥王星探测器开始不再独立使用RHU[8, 17]

2.2 空间RTG

RTG利用同位素的衰变产生的热量,通过热电转换装置将其转换为电能,同时可以用于航天器在低温环境下的温度补偿[1]。可供空间RTG利用的同位素包括钋(Po)210、钚(Pu)238和镅(Am)241等,经过比较其中Pu238性能最优,它既具有较好的能量密度(0.55 W/g),又能充分保证长寿命条件下(半衰期87.7年)正常工作[8]。RTG热电转换技术主要包括温差发电和斯特林[17]发电技术。

当前应用的温差发电材料主要有2种类型。一种低温发电材料即碲化铅(PbTe)系列[11],其热端温度和冷端温度分别为 550 ℃和165 ℃,可以实现6.2%的转换效率,美国SNAP计划中SNAP19-RTG、SNAP27-RTG和MHW-RTG有使用[11]。本系列中,分别支持了气象和通信等近地卫星任务,以及“阿波罗计划”(Project Apollo)、“海盗号”(Viking)、“先锋号”(Pioneer)和“旅行者号 ”(Voyager)等深空探测任务。另一种是中温发电材料即SiGe系列[11, 15],热端温度和冷端温度分别为1 000 ℃和300 ℃,可以实现6.8%的转换效率,美国的GPHS-RTG[15]和MMRTG[21]有使用。

图 2所示,GPHS-RTG装置采用18个标准的通用热源GPHS,共提供4 500 W的热功率,产生285 W的电功率。装置总质量为55.9 kg,直径为42.2 cm,长114 cm。外壳散热用翅片材料采用铝。GPHS-RTG在4个深空探测任务中得到应用,包括Galileo木星探测器(2个)、“尤利西斯号”(Ulysses)太阳极区探测器(1个)、Cassini土星探测器(3个)和New Horizons冥王星探测器(1个)。MMRTG用于Curiosity火星表面探测任务(1个)[22]

图 2 美国GPHS-RTG结构图[11, 15] Fig. 2 Diagram of a GPHS-RTG from USA

斯特林同位素电源(SRG,Stirling Radioisotope Generator)[23]是使用自由活塞斯特林热机和直线交流发电机实现热电转换的RTG。其工作原理是,RHU产生的热能驱动斯特林热机的运动,再驱动直线交流发电机产生电力,最后通过直流变换装置用于航天器的供电。SRG的热端和冷端设计温度分别为650 ℃和46 ℃,系统效率达到22%以上。目前国际上斯特林式RTG技术成熟度达到了5级[15]

RTG已经实现了超长寿命(Voyager1/2,超过40年工作寿命)的工作能力,目前技术发展主要是围绕提高热电转换效率开展工作[24]。温差发电技术方面,美国实验室实现了CoSb3基方钴矿温差发电9%~14%的发电效率,性能指标年衰减率小于2.5%[24],我国同步开展了相关研究[25]。斯特林发电技术可以实现较高的热电转换效率,但是需要解决长寿命及自由活塞机械振动的抑制问题[23]

3 空间核反应堆电源

核反应堆电源经历了从静态转换到动态转换的发展过程,其早期发展的温差和热离子型空间核反应堆电源,美国星球大战计划时期用于支持天基定向能武器,前苏联用于执行核动力卫星海洋监视任务。自1995年开始,在回顾空间核电源发展历程的基础上,开始理性思考空间核电源的发展,并根据不同的功率范围提出了不同的发展思路,其应用对象逐步转向以深空探测为主[8, 26]

3.1 小功率(1 kWe级)空间核反应堆电源

早期的小功率空间核反应堆电源包括美国的SNAP-10A,前苏联的BUK和TOPAZ[26],主要是开展技术演示验证,并支持海洋监视任务。SNAP-10A和BUK采用温差发电方式,TOPAZ采用热离子发电方式,均是静态转换空间核电源[8]。2010年后,美国开展了1kWe级斯特林空间核电源的研究工作,主要目的是支持深空探测和行星际基地[27]

SNAP-10A项目于1959年启动,1965年发射升空。SNAP-10A使用的是氢化钴反应堆,反应堆热功率40 kW,出口温度833 K,NaK液态金属冷却。核电源系统采用SiGe温差发电,输出电功率565 We,高3.479 m,辐射器面积6 m2,总重432 kg,设计寿命1年[4]

BUK核反应堆电源研究启动于20世纪60年代,1970–1988年间,共成功发射了32个携带BUK的海洋监视卫星,如图 3所示。BUK采用铀钼(UMo)快堆,NaK液态金属冷却,反应堆热功率100 kW,出口温度973 K。核电源系统采用两级SiGe串联温差发电,输出电功率3 kWe,总重1 250 kg,设计寿命1年[26]

图 3 前苏联使用BUK核电源的海洋监视卫星系统图[26] Fig. 3 Diagram of U.S. marine surveillance satellite with the BUK space reactor power

前苏联于1987年成功发射了2颗TOPAZ核电源支持的海洋监视卫星。TOPAZ空间热离子核反应堆电源采用二氧化铀(UO2)热堆,NaK液态金属冷却,反应堆热功率109 kW,出口冷却剂温度880 K。核电源系统输出电功率6 kWe,辐射器面积7 m2,总重1 200 kg,设计寿命1年。热离子发电系统的阴极(发射器)使用钨(W)或钼(Mo)合金,阳极(收集器)使用铌(Nb)合金,绝缘器使用氧化铍,外部包壳使用不锈钢,两个电极之间充满铯蒸汽[26]

NASA于2011年发布的空间电源发展路线图[28],提出了发展0.5~5 kWe的核反应堆电源替代RTG系统,以解决Pu238供应不足的问题。2012年,洛斯阿拉莫斯实验室提出了发展KiloPower项目(千瓦级斯特林式空间核反应堆)[27],目前正在开展地面带核集成试验,该反应堆电源采用UMo合金热堆,钠热管冷却,由8个125 We的斯特林发电机实现热电转换,由于反应堆和热电转换部分采用模块化设计,该反应堆电源可采用温差发电方式。核电源系统输出功率1 kWe,总长度约3 m,最大直径约1.1 m,总重量406 kg,设计寿命14年。美国针对1 kWe级空间核反应堆电源,开展了木卫二轨道探测(Jupiter Europa Orbiter)、土卫六–土星系统探测(Titan Saturn System Mission,TSSM)、柯伊伯带天体探测、载人火星探测等深空探测任务的论证工作[29]

图 4 使用1 kWe空间核反应堆电源的柯伊伯带探测器[29] Fig. 4 Design of a Kuiper belt probe with the 1 kWe- space reactor power

小功率(1 kWe级)空间核反应堆电源可以作为RTG的重要补充,完成月球表面、火星表面、木星及以远无人深空探测任务,图4为美国设计的采用1kWe小型核反应堆电源的柯伊伯带探测器。小功率空间核反应堆电源还需要开展采用温差和斯特林等不同热电转换方式的优化设计,同时研究系统减重以及长工作寿命下的高可靠技术。

3.2 大功率(100 kWe级)空间核反应堆电源

美国重点发展了3种100 kWe级空间核反应堆电源,分别是SP-100[13],木星冰卫星轨道器(Jupiter Ice Moon Orbiter,JIMO)[30]和FSP(Fission Surface Power)项目[9],分别应用于天基定向能武器、木星系探测和星表基地。3个项目选择了不同的技术路线,并不同程度地完成了地面演示验证试验。

1983年美国国防部战略防御倡议办公室(SDIO)启动了SP-100空间反应堆电源计划[13],发展100 kWe及以上的电源支持天基定向能武器。冷战结束后该项目于1990年转为NASA主导,应用方向主要针对其未来的月球和火星表面基地以及大功率电推进。SP-100项目采用锂(Li)冷UN快堆和温差发电方案,反应堆热功率2.4 MW,出口温度1 375 K,输出电功率106 kWe,系统效率4.4%,系统总重4 460 kg,散热器面积107 m2,设计寿命10年。

围绕深空探测任务,美国于2002年提出“普罗米修斯”计划,发展JIMO任务[30]。JIMO使用200 kWe的电推力器作为飞行动力,由核反应堆电源提供电推需要的能源。其中核反应堆电源采用气冷快堆和布雷顿发电方案,反应堆热功率1 MW,出口温度1 150 K,系统效率20%,系统总重6 182 kg,设计寿命20年。

“普罗米修斯”计划终止后NASA和DOE启动了FSP项目[9],发展星表基地,特别是月球/火星基地采用了空间核电源。FSP采用了NaK冷却UO2快堆和斯特林发电方案,其中8台斯特林发电机分成4对两两对置,每台发电机输出电功率6 kWe,反应堆热功率186 kW,系统效率21.5%,系统总重5 820 kg,设计寿命8年。FSP项目空间核电源的散热辐射器的热传输工质为水,考虑到月球表面温差变化较大,设置了主副两个散热器,图5为美国FSP核电源系统设计图。

图 5 美国FSP核电源系统图[9] Fig. 5 Design of Fission Surface Power(FSP)from USA

100 kWe级空间核反应堆电源可以满足当前大多数大功率航天任务的需求,包括月球/火星基地和无人深空探测等。冷战结束后空间核动力的应用方向转向深空探测,在无人深空探测方面,反应堆电源与RTG相比,质量和尺寸均不具有竞争优势;在载人深空探测方面,美国以及美国主导的国际太空探索协调组,提出了重返月球和载人火星飞行的计划,这些计划需要核反应堆电源的支持。

3.3 超大功率(兆瓦级)空间核反应堆电源

进入21世纪,围绕载人火星飞行任务,逐渐认识到核电源支持的大功率电推进,由于比冲上的数量级优势,可以大幅度降低出发时的系统总重。为此,美国、俄罗斯和欧盟都开展了兆瓦级空间核反应堆电源的探索研究[18-19, 31]

美国马歇尔航天中心(George C. Marshall Space Flight Center)开展了气冷堆和闭环磁流体发电方案研究,气冷堆输出热功率5 MW,出口温度1 800 K,选择He/Xe作为发电工质,系统输出电功率2.76 MWe,系统效率55.2%[32]

俄罗斯于2009年提出发展兆瓦级核动力飞船,如图 6所示,计划2025年实现在轨飞行试验。该飞船由核电源系统供电,支持电推进系统实现载人深空探测等任务。空间核电源采用气冷快堆和布雷顿发电方案,其中4个布雷顿发电机两两对置布置,反应堆热功率3.5 MW,系统输出电功率1 MWe,系统效率28.6%。电推进系统比冲为7 000 s。

欧盟于2012年支持了兆瓦级核动力航天器的概念研究,重点针对载人深空飞行、小行星移除、轨道间转移等应用目标。

兆瓦级空间核反应堆电源在空间安全和深空探测领域均具有较为广阔的应用前景[28]

图 6 俄罗斯兆瓦级核动力飞船系统图 Fig. 6 Design of Russian megawatt nuclear powered spacecraft
4 空间核推进

早期核推进以核热推进为主。空间核动力的初创时期美国发展了NERVA,星球大战时期发展了SNTP[33]。前苏联发展多款核热火箭发动机,RD-401设计推力达1 000 kN,RD-0410发动机试验推力达35.2 kN,比冲910 s[33]。核热推进的发展最早是为了解决核武器的远程投送问题,但由于化学火箭的迅速发展并定型,核热推进技术变得必要性不强,准备转向新体制研究[34-35]。2005年左右,200 kWe的大功率电推进技术突破,使推进系统在推力可用的前提下,比冲提高了1个数量级以上,由此带来了巨大的初始质量优势。进入新世纪,基于核能的推进,逐步将研究的重点转向核电源支持下的大功率电推进技术[18-19]图6为俄罗斯设计的兆瓦级动力飞船系统图。

5 空间核动力的安全问题

1978年前苏联核动力海洋监视卫星掉落在加拿大,极大地引起了国际社会对空间核动力的核安全问题的关注[36]。鉴于此,联合国外层空间委员会分别于1992年和2009年发布了2个关于空间核动力安全的指导性文件。1992年发布的《关于在外层空间使用核动力源的原则》[37]规定了空间核动力安全的准则、重返通知及赔偿责任等。2009年发布的《外太空空间核动力源应用的安全框架》[38]则给出了政府、管理和技术3个方面的指导性框架意见。

根据上述两份文件的规定,在现有的技术条件下,采用必要的预防和控制措施,可以有效防止空间核动力源对地球生物圈和大气圈造成超过自然本底的核辐射污染。我国针对核动力航天器应用中的安全性问题,提炼出了在空间核安全设计、管理等方面的有关要点[39]

6 结束语

随着人类探索空间、利用空间的步伐越走越远,新的航天任务,包括星表基地、载人深空飞行、行星际探测等,提出了对空间核动力的发展要求。研究和发展空间核动力将成为深空探测技术发展的必然。

RTG仍然将在无人深空探测中占据重要地位,Pu238核源生产、高效率长寿命的发电技术是其发展重点;核反应堆电源可以支持星表基地和载人深空飞行等任务,但需要实现模块化的反应堆电源、高可靠性高效率热电转换并开展在轨的飞行演示验证,核反应堆电源支持的大功率电推进,由于比冲数量级的提高将极大地节约深空探测器的总质量,已经逐步成为近期核推进技术的主要发展方向。

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