朱安文，劉磊，馬世俊，李明

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引 言

空間核動(dòng)力[1-2]泛指在空間應(yīng)用核能的裝置，該裝置將核能轉(zhuǎn)化為熱能、電能或者推進(jìn)的動(dòng)能滿足航天器飛行任務(wù)的需求。當(dāng)前利用的核能主要是放射性同位素的衰變能和核反應(yīng)堆中裂變材料的裂變能。深空探測(cè)是脫離地球引力場(chǎng)，進(jìn)入太陽(yáng)系空間和宇宙空間的探測(cè)[3]。本世紀(jì)的深空探測(cè)以太陽(yáng)系空間為主（月球、火星、水星和金星、巨行星的衛(wèi)星、小行星和彗星），兼顧宇宙空間的觀測(cè)。

太陽(yáng)能結(jié)合蓄電池是當(dāng)前空間能源的主要形式，對(duì)于利用太陽(yáng)能困難的航天任務(wù)以及大功率航天任務(wù)，空間核能的利用成為必然[4-8]。利用太陽(yáng)能困難的航天任務(wù)主要包括月球表面[9]、火星表面[10]、木星及木星以遠(yuǎn)的深空飛行任務(wù)[11]，大功率航天任務(wù)主要指載人深空飛行[10]。

按照對(duì)核能利用形式，空間核動(dòng)力技術(shù)通常分為空間核熱源、空間核電源和空間核推進(jìn)[1]。本文在概要介紹空間核動(dòng)力發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，總結(jié)了同位素?zé)嵩矗≧adioisotope Heat Unit，RHU）、同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator ，RTG，也稱同位素電池）、核反應(yīng)堆電源、核推進(jìn)技術(shù)在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況和相關(guān)發(fā)展情況，并討論了空間核動(dòng)力的安全問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)空間核動(dòng)力在深空探測(cè)中應(yīng)用面臨的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了展望。

1 空間核動(dòng)力

空間核動(dòng)力的發(fā)展可以分為3個(gè)時(shí)期，即初創(chuàng)時(shí)期、星球大戰(zhàn)時(shí)期和新世紀(jì)時(shí)期[2]。

空間核動(dòng)力從萌芽到成熟應(yīng)用的時(shí)期，稱為初創(chuàng)時(shí)期，時(shí)間跨度約從20世紀(jì)50年代初持續(xù)至70年代末。為了解決空間的投送運(yùn)輸問(wèn)題，美國(guó)于1955年提出了“流浪者”計(jì)劃（ROVER），后演變?yōu)镹ERVA計(jì)劃（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application）[12]，主要發(fā)展核熱推進(jìn)技術(shù)。二戰(zhàn)后，美國(guó)軍方一直在尋找可為偵察衛(wèi)星提供足夠能源的設(shè)備，20世紀(jì)50年代初，美國(guó)空軍和原子能委員會(huì)（Atomic Energy Commission，AEC）開(kāi)始了空間核電源的研究工作。1955年，美國(guó)空軍–原子能委員會(huì)（AF-AEC）聯(lián)合工作組成立，隨后空間核電源項(xiàng)目整合并更名為SNAP計(jì)劃[4]。SNAP計(jì)劃同時(shí)支持了核反應(yīng)堆電源和RTG的預(yù)研，在SNAP計(jì)劃推動(dòng)下，1965年美國(guó)發(fā)射了首個(gè)也是唯一一個(gè)攜帶核反應(yīng)堆電源的航天器（SNAP-10A），RTG則用作了導(dǎo)航衛(wèi)星輔助電源，并支持了阿波羅登月信標(biāo)機(jī)和一系列的無(wú)人深空探測(cè)任務(wù)[4,8]。1973年，美國(guó)政府同時(shí)終止了支持NERVA和SNAP計(jì)劃。SNAP計(jì)劃產(chǎn)生的RTG繼續(xù)得到應(yīng)用[11]，百瓦級(jí)的RTG（MHWRTG）1976年成功應(yīng)用在美國(guó)空軍的LES-8/9通信衛(wèi)星[11]上，1977年，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射的Voyager1/2探測(cè)器也攜帶MHW-RTG，至今仍在工作。前蘇聯(lián)同期發(fā)展了核反應(yīng)堆電源、RTG和核熱推進(jìn)項(xiàng)目，其中核反應(yīng)堆電源BUK和TOPAZ-Ⅰ應(yīng)用在雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星RORSAT任務(wù)中[7]。

從里根總統(tǒng)（Ronald Wilson Reagan）提出星球大戰(zhàn)計(jì)劃到蘇聯(lián)解體，再到蘇聯(lián)解體后俄羅斯持續(xù)約10年的不穩(wěn)定時(shí)期，統(tǒng)稱為星球大戰(zhàn)時(shí)期，時(shí)間跨度約從20世紀(jì)80年代初持續(xù)至20世紀(jì)末。在這個(gè)時(shí)期美國(guó)繼續(xù)在深空探測(cè)中使用RTG，同時(shí)發(fā)展核反應(yīng)堆電源和核熱推進(jìn)，比較有代表性的是1983年起美國(guó)支持發(fā)展的SP-100計(jì)劃[13]（核反應(yīng)堆電源）和SNTP計(jì)劃[14]（核熱推進(jìn)），后由于冷戰(zhàn)的結(jié)束，于1993年終止。在RTG方面，考慮到核源的安全性和通用型，美國(guó)將SNAP型RTG、MHW-RTG升級(jí)為GPHS-RTG[15]，成功應(yīng)用在“伽利略號(hào)”（Galileo）木星探測(cè)任務(wù)（1989年）、Ulysses太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)（1990年）和“卡西尼號(hào)”（Cassini）土星探測(cè)（1997年）任務(wù)中。前蘇聯(lián)延續(xù)了核反應(yīng)堆電源支持下海洋監(jiān)視衛(wèi)星的發(fā)射，解體后俄羅斯基本上停止了空間核動(dòng)力活動(dòng)。

進(jìn)入21世紀(jì)后統(tǒng)稱為新世紀(jì)時(shí)期，這個(gè)時(shí)期空間核動(dòng)力的發(fā)展逐步以支持深空探測(cè)為主進(jìn)行，中國(guó)發(fā)射了核動(dòng)力深空探測(cè)器[16]，歐盟也開(kāi)始了相關(guān)研究。美國(guó)在GPHS-RTG的基礎(chǔ)上，發(fā)展了MMRTG[17]，應(yīng)用于“勇氣號(hào)”（Spirit）和“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）火星車（2003年），“新視野號(hào)”（New Horizons）冥王星探測(cè)（2006年），以及“好奇號(hào)”（Curiosity）火星車任務(wù)（2011年）。美國(guó)繼續(xù)開(kāi)展了核反應(yīng)堆電源及大功率電推進(jìn)的技術(shù)探索，用于無(wú)人及有人的深空探測(cè)任務(wù)[18]。俄羅斯和歐盟都開(kāi)展了RTG和兆瓦級(jí)核反應(yīng)堆電源結(jié)合電推的深空探測(cè)探索研究[19]。2013年，我國(guó)的“嫦娥3號(hào)”（CE-3）進(jìn)行了月面著陸探測(cè)任務(wù)，在著陸器和巡視器均使用了RHU[16,20]。

2 空間同位素?zé)?電源

通過(guò)尋找合適的空間電源發(fā)展起來(lái)的RHU/RTG，在發(fā)展初期主要支持近地軌道衛(wèi)星任務(wù)，并在深空探測(cè)任務(wù)中得到了持續(xù)應(yīng)用。

2.1 空間RHU

美國(guó)開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)RHU用于深空探測(cè)極端環(huán)境下的航天器設(shè)備供熱[21]。RHU標(biāo)準(zhǔn)模塊采用钚（Pu）238的氧化物（PuO2）作為RHU，初期熱功率為1 W。如圖1所示，整個(gè)單元長(zhǎng)3.2 cm，直徑2.6 cm，質(zhì)量為40 g，其中燃料球重2.7 g。最早應(yīng)用RHU的航天器是Galileo木星探測(cè)器，共裝配了120個(gè)RHU。隨后“探路者號(hào)”（Pathfinder）火星車（1996年）安裝了3個(gè)，Cassini土星探測(cè)器安裝了117個(gè)，Spirit和Opportunity火星車各安裝了8個(gè)[11,17]。

圖1 美國(guó)1 W標(biāo)準(zhǔn)模塊RHU結(jié)構(gòu)圖[11,17]Fig. 1 Diagram of 1 W standard heat source from USA

前蘇聯(lián)在月球表面探測(cè)中使用了RHU，分別是“月球17號(hào)”（Luna-17，1970年）和“月球21號(hào)”（Luna-21，1973年）[8]。

中國(guó)的CE-3月面探測(cè)任務(wù)（2013），著陸器和巡視器均使用了RHU[16,20]。

RHU使用靈活，可以較好地解決深空極端環(huán)境下的熱控問(wèn)題。而且隨著熱管技術(shù)的進(jìn)步，還可以可靠的利用RTG的廢熱，從2006年發(fā)射的New Horizons冥王星探測(cè)器開(kāi)始不再獨(dú)立使用RHU[8,17]。

2.2 空間RTG

RTG利用同位素的衰變產(chǎn)生的熱量，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)可以用于航天器在低溫環(huán)境下的溫度補(bǔ)償[1]?？晒┛臻gRTG利用的同位素包括釙（Po）210、钚（Pu）238和镅（Am）241等，經(jīng)過(guò)比較其中Pu238性能最優(yōu)，它既具有較好的能量密度（0.55 W/g），又能充分保證長(zhǎng)壽命條件下（半衰期87.7年）正常工作[8]。RTG熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括溫差發(fā)電和斯特林[17]發(fā)電技術(shù)。

當(dāng)前應(yīng)用的溫差發(fā)電材料主要有2種類型。一種低溫發(fā)電材料即碲化鉛（PbTe）系列[11]，其熱端溫度和冷端溫度分別為 550 ℃和165 ℃，可以實(shí)現(xiàn)6.2%的轉(zhuǎn)換效率，美國(guó)SNAP計(jì)劃中SNAP19-RTG、SNAP27-RTG和MHW-RTG有使用[11]。本系列中，分別支持了氣象和通信等近地衛(wèi)星任務(wù)，以及“阿波羅計(jì)劃”（Project Apollo）、“海盜號(hào)”（Viking）、“先鋒號(hào)”（Pioneer）和“旅行者號(hào) ”（Voyager）等深空探測(cè)任務(wù)。另一種是中溫發(fā)電材料即SiGe系列[11,15]，熱端溫度和冷端溫度分別為1 000 ℃和300 ℃，可以實(shí)現(xiàn)6.8%的轉(zhuǎn)換效率，美國(guó)的GPHS-RTG[15]和MMRTG[21]有使用。

如圖2所示，GPHS-RTG裝置采用18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用熱源GPHS，共提供4 500 W的熱功率，產(chǎn)生285 W的電功率。裝置總質(zhì)量為55.9 kg，直徑為42.2 cm，長(zhǎng)114 cm。外殼散熱用翅片材料采用鋁。GPHS-RTG在4個(gè)深空探測(cè)任務(wù)中得到應(yīng)用，包括Galileo木星探測(cè)器（2個(gè)）、“尤利西斯號(hào)”（Ulysses）太陽(yáng)極區(qū)探測(cè)器（1個(gè)）、Cassini土星探測(cè)器（3個(gè)）和New Horizons冥王星探測(cè)器（1個(gè)）。MMRTG用于Curiosity火星表面探測(cè)任務(wù)（1個(gè)）[22]。

斯特林同位素電源（SRG，Stirling Radioisotope Generator）[23]是使用自由活塞斯特林熱機(jī)和直線交流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的RTG。其工作原理是，RHU產(chǎn)生的熱能驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)的運(yùn)動(dòng)，再驅(qū)動(dòng)直線交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，最后通過(guò)直流變換裝置用于航天器的供電。SRG的熱端和冷端設(shè)計(jì)溫度分別為650 ℃和46 ℃，系統(tǒng)效率達(dá)到22%以上。目前國(guó)際上斯特林式RTG技術(shù)成熟度達(dá)到了5級(jí)[15]。

RTG已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)壽命（Voyager1/2，超過(guò)40年工作壽命）的工作能力，目前技術(shù)發(fā)展主要是圍繞提高熱電轉(zhuǎn)換效率開(kāi)展工作[24]。溫差發(fā)電技術(shù)方面，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了CoSb3基方鈷礦溫差發(fā)電9%～14%的發(fā)電效率，性能指標(biāo)年衰減率小于2.5%[24]，我國(guó)同步開(kāi)展了相關(guān)研究[25]。斯特林發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，但是需要解決長(zhǎng)壽命及自由活塞機(jī)械振動(dòng)的抑制問(wèn)題[23]。

3 空間核反應(yīng)堆電源

核反應(yīng)堆電源經(jīng)歷了從靜態(tài)轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的發(fā)展過(guò)程，其早期發(fā)展的溫差和熱離子型空間核反應(yīng)堆電源，美國(guó)星球大戰(zhàn)計(jì)劃時(shí)期用于支持天基定向能武器，前蘇聯(lián)用于執(zhí)行核動(dòng)力衛(wèi)星海洋監(jiān)視任務(wù)。自1995年開(kāi)始，在回顧空間核電源發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，開(kāi)始理性思考空間核電源的發(fā)展，并根據(jù)不同的功率范圍提出了不同的發(fā)展思路，其應(yīng)用對(duì)象逐步轉(zhuǎn)向以深空探測(cè)為主[8,26]。

3.1 小功率（1 kWe級(jí)）空間核反應(yīng)堆電源

早期的小功率空間核反應(yīng)堆電源包括美國(guó)的SNAP-10A，前蘇聯(lián)的BUK和TOPAZ[26]，主要是開(kāi)展技術(shù)演示驗(yàn)證，并支持海洋監(jiān)視任務(wù)。SNAP-10A和BUK采用溫差發(fā)電方式，TOPAZ采用熱離子發(fā)電方式，均是靜態(tài)轉(zhuǎn)換空間核電源[8]。2010年后，美國(guó)開(kāi)展了1kWe級(jí)斯特林空間核電源的研究工作，主要目的是支持深空探測(cè)和行星際基地[27]。

SNAP-10A項(xiàng)目于1959年啟動(dòng)，1965年發(fā)射升空。SNAP-10A使用的是氫化鈷反應(yīng)堆，反應(yīng)堆熱功率40 kW，出口溫度833 K，NaK液態(tài)金屬冷卻。核電源系統(tǒng)采用SiGe溫差發(fā)電，輸出電功率565 We，高3.479 m，輻射器面積6 m2，總重432 kg，設(shè)計(jì)壽命1年[4]。

圖2 美國(guó)GPHS-RTG結(jié)構(gòu)圖[11,15]Fig. 2 Diagram of a GPHS-RTG from USA

BUK核反應(yīng)堆電源研究啟動(dòng)于20世紀(jì)60年代，1970–1988年間，共成功發(fā)射了32個(gè)攜帶BUK的海洋監(jiān)視衛(wèi)星，如圖3所示。BUK采用鈾鉬（UMo）快堆，NaK液態(tài)金屬冷卻，反應(yīng)堆熱功率100 kW，出口溫度973 K。核電源系統(tǒng)采用兩級(jí)SiGe串聯(lián)溫差發(fā)電，輸出電功率3 kWe，總重1 250 kg，設(shè)計(jì)壽命1年[26]。

圖3 前蘇聯(lián)使用BUK核電源的海洋監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)圖[26]Fig. 3 Diagram of U.S. marine surveillance satellite with the BUK space reactor power

前蘇聯(lián)于1987年成功發(fā)射了2顆TOPAZ核電源支持的海洋監(jiān)視衛(wèi)星。TOPAZ空間熱離子核反應(yīng)堆電源采用二氧化鈾（UO2）熱堆，NaK液態(tài)金屬冷卻，反應(yīng)堆熱功率109 kW，出口冷卻劑溫度880 K。核電源系統(tǒng)輸出電功率6 kWe，輻射器面積7 m2，總重1 200 kg，設(shè)計(jì)壽命1年。熱離子發(fā)電系統(tǒng)的陰極（發(fā)射器）使用鎢（W）或鉬（Mo）合金，陽(yáng)極（收集器）使用鈮（Nb）合金，絕緣器使用氧化鈹，外部包殼使用不銹鋼，兩個(gè)電極之間充滿銫蒸汽[26]。

NASA于2011年發(fā)布的空間電源發(fā)展路線圖[28]，提出了發(fā)展0.5～5 kWe的核反應(yīng)堆電源替代RTG系統(tǒng)，以解決Pu238供應(yīng)不足的問(wèn)題。2012年，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室提出了發(fā)展KiloPower項(xiàng)目（千瓦級(jí)斯特林式空間核反應(yīng)堆）[27]，目前正在開(kāi)展地面帶核集成試驗(yàn)，該反應(yīng)堆電源采用UMo合金熱堆，鈉熱管冷卻，由8個(gè)125 We的斯特林發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，由于反應(yīng)堆和熱電轉(zhuǎn)換部分采用模塊化設(shè)計(jì)，該反應(yīng)堆電源可采用溫差發(fā)電方式。核電源系統(tǒng)輸出功率1 kWe，總長(zhǎng)度約3 m，最大直徑約1.1 m，總重量406 kg，設(shè)計(jì)壽命14年。美國(guó)針對(duì)1 kWe級(jí)空間核反應(yīng)堆電源，開(kāi)展了木衛(wèi)二軌道探測(cè)（Jupiter Europa Orbiter）、土衛(wèi)六–土星系統(tǒng)探測(cè)（Titan Saturn System Mission，TSSM）、柯伊伯帶天體探測(cè)、載人火星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的論證工作[29]。

小功率（1 kWe級(jí)）空間核反應(yīng)堆電源可以作為RTG的重要補(bǔ)充，完成月球表面、火星表面、木星及以遠(yuǎn)無(wú)人深空探測(cè)任務(wù)，圖4為美國(guó)設(shè)計(jì)的采用1kWe小型核反應(yīng)堆電源的柯伊伯帶探測(cè)器。小功率空間核反應(yīng)堆電源還需要開(kāi)展采用溫差和斯特林等不同熱電轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)研究系統(tǒng)減重以及長(zhǎng)工作壽命下的高可靠技術(shù)。

3.2 大功率（100 kWe級(jí)）空間核反應(yīng)堆電源

美國(guó)重點(diǎn)發(fā)展了3種100 kWe級(jí)空間核反應(yīng)堆電源，分別是SP-100[13]，木星冰衛(wèi)星軌道器（Jupiter Ice Moon Orbiter，JIMO）[30]和FSP（Fission Surface Power）項(xiàng)目[9]，分別應(yīng)用于天基定向能武器、木星系探測(cè)和星表基地。3個(gè)項(xiàng)目選擇了不同的技術(shù)路線，并不同程度地完成了地面演示驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖4 使用1 kWe空間核反應(yīng)堆電源的柯伊伯帶探測(cè)器[29]Fig. 4 Design of a Kuiper belt probe with the 1 kWe- space reactor power

1983年美國(guó)國(guó)防部戰(zhàn)略防御倡議辦公室（SDIO）啟動(dòng)了SP-100空間反應(yīng)堆電源計(jì)劃[13]，發(fā)展100 kWe及以上的電源支持天基定向能武器。冷戰(zhàn)結(jié)束后該項(xiàng)目于1990年轉(zhuǎn)為NASA主導(dǎo)，應(yīng)用方向主要針對(duì)其未來(lái)的月球和火星表面基地以及大功率電推進(jìn)。SP-100項(xiàng)目采用鋰（Li）冷UN快堆和溫差發(fā)電方案，反應(yīng)堆熱功率2.4 MW，出口溫度1 375 K，輸出電功率106 kWe，系統(tǒng)效率4.4%，系統(tǒng)總重4 460 kg，散熱器面積107 m2，設(shè)計(jì)壽命10年。

圍繞深空探測(cè)任務(wù)，美國(guó)于2002年提出“普羅米修斯”計(jì)劃，發(fā)展JIMO任務(wù)[30]。JIMO使用200 kWe的電推力器作為飛行動(dòng)力，由核反應(yīng)堆電源提供電推需要的能源。其中核反應(yīng)堆電源采用氣冷快堆和布雷頓發(fā)電方案，反應(yīng)堆熱功率1 MW，出口溫度1 150 K，系統(tǒng)效率20%，系統(tǒng)總重6 182 kg，設(shè)計(jì)壽命20年。

“普羅米修斯”計(jì)劃終止后NASA和DOE啟動(dòng)了FSP項(xiàng)目[9]，發(fā)展星表基地，特別是月球/火星基地采用了空間核電源。FSP采用了NaK冷卻UO2快堆和斯特林發(fā)電方案，其中8臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)分成4對(duì)兩兩對(duì)置，每臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電功率6 kWe，反應(yīng)堆熱功率186 kW，系統(tǒng)效率21.5%，系統(tǒng)總重5 820 kg，設(shè)計(jì)壽命8年。FSP項(xiàng)目空間核電源的散熱輻射器的熱傳輸工質(zhì)為水，考慮到月球表面溫差變化較大，設(shè)置了主副兩個(gè)散熱器，圖5為美國(guó)FSP核電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

圖5 美國(guó)FSP核電源系統(tǒng)圖[9]Fig. 5 Design of Fission Surface Power（FSP）from USA

100 kWe級(jí)空間核反應(yīng)堆電源可以滿足當(dāng)前大多數(shù)大功率航天任務(wù)的需求，包括月球/火星基地和無(wú)人深空探測(cè)等。冷戰(zhàn)結(jié)束后空間核動(dòng)力的應(yīng)用方向轉(zhuǎn)向深空探測(cè)，在無(wú)人深空探測(cè)方面，反應(yīng)堆電源與RTG相比，質(zhì)量和尺寸均不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；在載人深空探測(cè)方面，美國(guó)以及美國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際太空探索協(xié)調(diào)組，提出了重返月球和載人火星飛行的計(jì)劃，這些計(jì)劃需要核反應(yīng)堆電源的支持。

3.3 超大功率（兆瓦級(jí)）空間核反應(yīng)堆電源

進(jìn)入21世紀(jì)，圍繞載人火星飛行任務(wù)，逐漸認(rèn)識(shí)到核電源支持的大功率電推進(jìn)，由于比沖上的數(shù)量級(jí)優(yōu)勢(shì)，可以大幅度降低出發(fā)時(shí)的系統(tǒng)總重。為此，美國(guó)、俄羅斯和歐盟都開(kāi)展了兆瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆電源的探索研究[18-19,31]。

美國(guó)馬歇爾航天中心（George C. Marshall Space Flight Center）開(kāi)展了氣冷堆和閉環(huán)磁流體發(fā)電方案研究，氣冷堆輸出熱功率5 MW，出口溫度1 800 K，選擇He/Xe作為發(fā)電工質(zhì)，系統(tǒng)輸出電功率2.76 MWe，系統(tǒng)效率55.2%[32]。

俄羅斯于2009年提出發(fā)展兆瓦級(jí)核動(dòng)力飛船，如圖6所示，計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)在軌飛行試驗(yàn)。該飛船由核電源系統(tǒng)供電，支持電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)載人深空探測(cè)等任務(wù)?？臻g核電源采用氣冷快堆和布雷頓發(fā)電方案，其中4個(gè)布雷頓發(fā)電機(jī)兩兩對(duì)置布置，反應(yīng)堆熱功率3.5 MW，系統(tǒng)輸出電功率1 MWe，系統(tǒng)效率28.6%。電推進(jìn)系統(tǒng)比沖為7 000 s。

歐盟于2012年支持了兆瓦級(jí)核動(dòng)力航天器的概念研究，重點(diǎn)針對(duì)載人深空飛行、小行星移除、軌道間轉(zhuǎn)移等應(yīng)用目標(biāo)。

兆瓦級(jí)空間核反應(yīng)堆電源在空間安全和深空探測(cè)領(lǐng)域均具有較為廣闊的應(yīng)用前景[28]。

圖6 俄羅斯兆瓦級(jí)核動(dòng)力飛船系統(tǒng)圖Fig. 6 Design of Russian megawatt nuclear powered spacecraft

4 空間核推進(jìn)

早期核推進(jìn)以核熱推進(jìn)為主。空間核動(dòng)力的初創(chuàng)時(shí)期美國(guó)發(fā)展了NERVA，星球大戰(zhàn)時(shí)期發(fā)展了SNTP[33]。前蘇聯(lián)發(fā)展多款核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，RD-401設(shè)計(jì)推力達(dá)1 000 kN，RD-0410發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推力達(dá)35.2 kN，比沖910 s[33]。核熱推進(jìn)的發(fā)展最早是為了解決核武器的遠(yuǎn)程投送問(wèn)題，但由于化學(xué)火箭的迅速發(fā)展并定型，核熱推進(jìn)技術(shù)變得必要性不強(qiáng)，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向新體制研究[34-35]。2005年左右，200 kWe的大功率電推進(jìn)技術(shù)突破，使推進(jìn)系統(tǒng)在推力可用的前提下，比沖提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，由此帶來(lái)了巨大的初始質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。進(jìn)入新世紀(jì)，基于核能的推進(jìn)，逐步將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向核電源支持下的大功率電推進(jìn)技術(shù)[18-19]，圖6為俄羅斯設(shè)計(jì)的兆瓦級(jí)動(dòng)力飛船系統(tǒng)圖。

5 空間核動(dòng)力的安全問(wèn)題

1978年前蘇聯(lián)核動(dòng)力海洋監(jiān)視衛(wèi)星掉落在加拿大，極大地引起了國(guó)際社會(huì)對(duì)空間核動(dòng)力的核安全問(wèn)題的關(guān)注[36]。鑒于此，聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)分別于1992年和2009年發(fā)布了2個(gè)關(guān)于空間核動(dòng)力安全的指導(dǎo)性文件。1992年發(fā)布的《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則》[37]規(guī)定了空間核動(dòng)力安全的準(zhǔn)則、重返通知及賠償責(zé)任等。2009年發(fā)布的《外太空空間核動(dòng)力源應(yīng)用的安全框架》[38]則給出了政府、管理和技術(shù)3個(gè)方面的指導(dǎo)性框架意見(jiàn)。

根據(jù)上述兩份文件的規(guī)定，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，采用必要的預(yù)防和控制措施，可以有效防止空間核動(dòng)力源對(duì)地球生物圈和大氣圈造成超過(guò)自然本底的核輻射污染。我國(guó)針對(duì)核動(dòng)力航天器應(yīng)用中的安全性問(wèn)題，提煉出了在空間核安全設(shè)計(jì)、管理等方面的有關(guān)要點(diǎn)[39]。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著人類探索空間、利用空間的步伐越走越遠(yuǎn)，新的航天任務(wù)，包括星表基地、載人深空飛行、行星際探測(cè)等，提出了對(duì)空間核動(dòng)力的發(fā)展要求。研究和發(fā)展空間核動(dòng)力將成為深空探測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然。

RTG仍然將在無(wú)人深空探測(cè)中占據(jù)重要地位，Pu238核源生產(chǎn)、高效率長(zhǎng)壽命的發(fā)電技術(shù)是其發(fā)展重點(diǎn)；核反應(yīng)堆電源可以支持星表基地和載人深空飛行等任務(wù)，但需要實(shí)現(xiàn)模塊化的反應(yīng)堆電源、高可靠性高效率熱電轉(zhuǎn)換并開(kāi)展在軌的飛行演示驗(yàn)證，核反應(yīng)堆電源支持的大功率電推進(jìn)，由于比沖數(shù)量級(jí)的提高將極大地節(jié)約深空探測(cè)器的總質(zhì)量，已經(jīng)逐步成為近期核推進(jìn)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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