朱安文，劉飛標(biāo)，杜輝，馬世俊

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引 言

深空探測(cè)擴(kuò)展了人類(lèi)活動(dòng)的范圍，是探索宇宙和生命起源的重要手段，同時(shí)能夠引領(lǐng)航天技術(shù)的發(fā)展。深空探測(cè)首先需要解決能源問(wèn)題，與地球軌道航天器使用太陽(yáng)能不同，在深空探測(cè)中太陽(yáng)能的使用受到了各種限制。其典型的限制有兩種：一是星表環(huán)境導(dǎo)致太陽(yáng)能效率低下，如月球表面長(zhǎng)達(dá)14個(gè)地球日的月夜無(wú)法使用太陽(yáng)能，還有火星表面每日均有的沙塵暴使太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)能非常困難；二是木星及木星以遠(yuǎn)的深空探測(cè)，木星系附近的太陽(yáng)常數(shù)降低到地球附近的1/25以下，利用太陽(yáng)能發(fā)電效率低下。在這些限制條件下，核電源成為深空探測(cè)器能源的重要選擇。

深空探測(cè)可用的核能源包括3種類(lèi)型：核燃料的衰變能、裂變能和聚變能。同位素衰變能是目前深空探測(cè)中應(yīng)用最成熟的技術(shù)，在深空探測(cè)中發(fā)揮著重要作用。利用裂變反應(yīng)堆電源，并且與電推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的核電推進(jìn)航天器，是目前深空探測(cè)研究的熱點(diǎn)。核聚變具有更大的優(yōu)勢(shì)，在核動(dòng)力深空探測(cè)研究中開(kāi)始受到關(guān)注。

1 衰變能探測(cè)器

由于深空中太陽(yáng)能利用效率的下降，多數(shù)深空探測(cè)器采用了同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）。RTG具有工作壽命長(zhǎng)、生存能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，成為一種性能良好的空間電源。RTG是利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)，直接將放射性同位素衰變所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。由同位素?zé)嵩矗≧adioisotope Heat Unit，RHU）、溫差電轉(zhuǎn)換器、散熱殼體組成[1]。與傳統(tǒng)的化學(xué)電源、太陽(yáng)能電源相比，RTG不受太陽(yáng)光和其他環(huán)境條件的影響，工作壽命長(zhǎng)、可靠性高，不僅可以為深空探測(cè)器提供電能，還可以為其熱控系統(tǒng)提供熱能[1]，體積小、易于攜帶和安裝；環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在高低溫、真空、輻射、沖擊和震動(dòng)等惡劣環(huán)境下正常工作[2]。

1.1 同位素?zé)嵩刺綔y(cè)器

放射性同位素衰變時(shí)發(fā)射出來(lái)的高能帶電粒子和射線通過(guò)與物質(zhì)相互作用，最終被阻止和吸收，射線的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使與之發(fā)生作用的物質(zhì)溫度升高。這種利用放射性衰變能制成的熱源，稱(chēng)為放射性同位素?zé)嵩碵3]。美國(guó)歷年的深空探測(cè)任務(wù)中，有4次只用RHU為探測(cè)器提供熱能，26次利用RTG提供熱能和電能，或由RTG提供電能的同時(shí)使用RHU在關(guān)鍵部位供熱。在使用RHU的深空探測(cè)任務(wù)中，“伽利略號(hào)”（Galileo）使用了120個(gè)RHU，“火星探路者號(hào)”（Mars Pathfinder，MPF）使用了157個(gè)，“卡西尼號(hào)”（Cassini）安裝117個(gè)，“勇氣號(hào)”（Spirit/MER-A）和“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity/MER-B）各使用8個(gè)[3]。

我國(guó)的深空探測(cè)還處于起步階段，為解決“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器的月面生存問(wèn)題，從俄羅斯引進(jìn)了3枚120W、1枚8W、1枚4W的RHU，這使其成為我國(guó)第一顆采用核動(dòng)力的深空探測(cè)器。

1.2 同位素電源探測(cè)器

1.2.1 “旅行者號(hào)”（Voyager）

1）任務(wù)概述

1972年，為抓住1977年木星、土星、天王星和海王星幾乎在一條直線上的歷史性機(jī)遇，Mariner Jupiter/Saturn 1977（MJS77）項(xiàng)目啟動(dòng)。在探測(cè)器發(fā)射后不久，項(xiàng)目名稱(chēng)就被改為“旅行者號(hào)”（Voyager）[4]。項(xiàng)目要確定的目標(biāo)是：①開(kāi)展木星和土星行星系統(tǒng)的比較科學(xué)研究；②恒星際飛行階段中行星際物質(zhì)的探索性調(diào)查[4]。1976年上半年，任務(wù)目標(biāo)擴(kuò)展至Voyager-2在1986年上半年與天王星可能的相遇探測(cè)。1985年又批準(zhǔn)了Voyager海王星的探測(cè)任務(wù)。Voyager-1是人類(lèi)歷史上第一顆進(jìn)入星際空間的航天器，目前已飛行近40年，并有望工作至2020年[5]。

2）Voyager探測(cè)器

Voyager-2于1977年8月先期發(fā)射，Voyager-1于1977年9月發(fā)射。兩者設(shè)計(jì)相同，每顆探測(cè)器重量為722kg，采用三軸穩(wěn)定技術(shù)，利用太陽(yáng)和老人星進(jìn)行空間定位，如圖1所示。在最初80天的飛行后，其上的高增益天線持續(xù)指向地球。探測(cè)器上除了高增益天線是白色，大多數(shù)可見(jiàn)部分都是黑色，這種包覆主要是為了更好的熱控和微流星防護(hù)，小部分區(qū)域則是金箔或鋁表面。Voyager攜帶6個(gè)物理場(chǎng)、離子和波測(cè)量?jī)x器，5個(gè)光學(xué)儀器和無(wú)線電科學(xué)測(cè)量?jī)x器。主通信天線口徑為3.7m，行星際巡航階段采用S波段通信，與行星相遇時(shí)采用X波段。飛行狀態(tài)下，探測(cè)器重量為825kg，包括肼工質(zhì)為100kg，每顆探測(cè)器使用3個(gè)MHW-RTG，初期功率合計(jì)為470We。

圖1 “旅行者1/2號(hào)”探測(cè)器Fig.1 Voyager 1 and 2 detector

3）電源系統(tǒng)

Voyager采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的MHW-RTG，全長(zhǎng)58.31cm，外徑39.73cm，如圖2所示。Voyager-1和Voyager-2上的MHW-RTG初始功率158We，質(zhì)量37.69kg。熱源使用24個(gè)熱功率為100W的238PuO2球，每個(gè)球用銥殼包封，外層采用石墨再入保護(hù)層。熱電轉(zhuǎn)化材料為SiGe合金，熱端溫度達(dá)到1000℃，轉(zhuǎn)化效率6.6%。

圖2 MHW-RTG剖面圖Fig.2 Section view of MHW-RTG

1.2.2 “新視野號(hào)”（New Horizons）

1）任務(wù)概述

2001年12月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）宣布啟動(dòng)“冥王星–柯伊伯快車(chē)”計(jì)劃，探測(cè)器命名為“新視野號(hào)”（New Horizons）[6-7]。

作為考察冥王星系統(tǒng)和柯伊伯帶的第一個(gè)探測(cè)器，New Horizons的科學(xué)目標(biāo)包括：①近距離飛越冥王星及其已知的5個(gè)衛(wèi)星。探測(cè)冥王星是否存在未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星、是否存在環(huán)帶系統(tǒng)、表面是否存在撞擊坑等，并判斷柯伊伯帶天體間的互撞幾率。②考察柯伊伯帶的其他天體?？乱敛畮祗w是太陽(yáng)系各大行星形成后的殘?jiān)?，研究其有助于理解太?yáng)系和地球生命的起源[6]。

2）New Horizons探測(cè)器

New Horizons探測(cè)器主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)2.1m、高0.7m、最寬處2.7m，通信天線直徑2.1m，總高度達(dá)到2.2m。探測(cè)器總重473kg，使用RTG，并用16個(gè)推進(jìn)器來(lái)調(diào)整飛行路徑和姿態(tài)控制[7]，如圖3所示。

探測(cè)器攜帶了7臺(tái)共30kg的科學(xué)儀器，包括3臺(tái)光學(xué)儀器：遠(yuǎn)程勘測(cè)成像儀LORRI、可見(jiàn)–紅外成像光譜儀RALPH、紫外成像光譜儀ALICE。其余4臺(tái)分別是：太陽(yáng)風(fēng)測(cè)量?jī)xSWAP、無(wú)線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀REX、能量粒子譜儀PEPSSI、學(xué)生塵埃計(jì)數(shù)器SDC。這些載荷主要用于測(cè)量冥王星附近和表面的太陽(yáng)風(fēng)、大氣、能量粒子和塵埃等。

New Horizons探測(cè)器采用X頻段，包括一副高增益天線、一副中增益天線和兩副低增益寬波束天線。采用三軸穩(wěn)定和自旋穩(wěn)定模式進(jìn)行控制。在木星和冥王星之間漫長(zhǎng)的巡航階段，探測(cè)器處于休眠狀態(tài)，期間大部分載荷關(guān)閉，采用自旋穩(wěn)定模式，額定轉(zhuǎn)速5rad/s，高增益天線對(duì)準(zhǔn)地球，探測(cè)器自主監(jiān)視自己的“健康”狀態(tài)，而不是每周下傳一次遙測(cè)信號(hào)。若自主系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到任何的異常，就會(huì)廣播“green tone”；若檢測(cè)到任何異常就會(huì)廣播總數(shù)為7的“red tone”，發(fā)信號(hào)給地面控制人員采取矯正措施，這種操作可以最大程度地減小探測(cè)器巡航過(guò)程中DSN的負(fù)擔(dān)。New Horizons是第一個(gè)采用信標(biāo)模式的探測(cè)器，在與冥王星相遇階段采用三軸穩(wěn)定模式[8]。

圖3 “新視野號(hào)”主要組成Fig. 3 The main composition of New Horizons

New Horizons在8年的巡航過(guò)程中，每年會(huì)有10個(gè)月的時(shí)間處于休眠模式，關(guān)閉大部分的電子設(shè)備，放寬固定檢測(cè)和指令的時(shí)間。每周一次，探測(cè)器會(huì)通過(guò)檢測(cè)信標(biāo)tone來(lái)監(jiān)測(cè)探測(cè)器的“健康”狀況；每月一次，會(huì)收集工程遙測(cè)信號(hào)，得到更詳細(xì)的探測(cè)器“健康”情況及分系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。每隔兩月，探測(cè)器會(huì)被“喚醒”，進(jìn)行全面的檢查、設(shè)備校準(zhǔn)、巡航科學(xué)探測(cè)及必要的軌道修正。巡航科學(xué)探測(cè)包括行星際等離子體、塵埃測(cè)量，天–海–冥–柯伊伯帶的相位曲線研究、行星際的Ly-alpha測(cè)量等[8]。

3）電源系統(tǒng)

從Galileo和“尤利西斯號(hào)”（Ulysses）開(kāi)始，深空探測(cè)器采用了全新的RTG——通用熱源放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（GPHS-RTG），其功率達(dá)到了上一代MHW-RTG的兩倍。初始輸出電功率300We，使用572個(gè)硅鍺熱電元件，熱端溫度1275K，冷端溫度575K[9]。New Horizons探測(cè)器電源系統(tǒng)中不配備蓄電池。

GPHS-RTG首次采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)熱源模塊包含2個(gè)單體，每個(gè)單體有2個(gè)238PuO2芯塊，芯塊由帶有放氣孔的銥合金包裹，每?jī)蓚€(gè)芯塊組合裝進(jìn)石墨制的緩沖罐中，中間放置石墨隔板填充，防止機(jī)械擠壓和碰撞[9]。

GPHS-RTG采用18個(gè)通用熱源模塊，初始熱功率4500W，比功率5.3W/kg，外殼翅片為鋁。整體直徑42.2cm，高114cm，重量55.9kg[9]，如圖4和圖5所示。

圖4 GPHS-RTG通用熱源模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 GPHS module assembly

圖5 GPHS-RTG基本布局剖面圖Fig.5 Cutaway of the GPHS-RTG

2 裂變能探測(cè)器

核裂變探測(cè)器泛指采用裂變反應(yīng)堆作為能源的探測(cè)器，裂變產(chǎn)生的熱能一方面可以通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換裝置變?yōu)殡娔?，供科學(xué)載荷或電推力器使用；另一方面，裂變產(chǎn)生的熱能可以直接加熱工質(zhì)，工質(zhì)膨脹做功后為探測(cè)器提供推力。上述探測(cè)器分別稱(chēng)為核電推進(jìn)探測(cè)器和核熱推進(jìn)探測(cè)器。目前，深空探測(cè)還未使用裂變能或聚變能。

2.1 核電推進(jìn)探測(cè)器

2.1.1 任務(wù)概述

采用核電推進(jìn)技術(shù)的典型代表是美國(guó)“普羅米修斯”計(jì)劃中的JIMO飛船。JIMO是“普羅米修斯”計(jì)劃的核心，也是這一時(shí)期核動(dòng)力探測(cè)器的典型代表，于2002年底立項(xiàng)，并于2005年終止[10]。主要的目標(biāo)一是研發(fā)一種較高功率的核反應(yīng)堆電源，來(lái)驗(yàn)證核電推進(jìn)技術(shù)潛力；二是探測(cè)木星的3顆伽利略衛(wèi)星：木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四[11]。

JIMO原計(jì)劃于2015年5月進(jìn)行3次獨(dú)立的發(fā)射。由于電推力器推力小，探測(cè)器需要在地球軌道處運(yùn)行5個(gè)月，星際巡航階段大約需要5年4個(gè)月。JIMO會(huì)在木衛(wèi)四軌道保持至少60天，木衛(wèi)三軌道保持至少60天，木衛(wèi)二軌道保持至少30天。任務(wù)終止時(shí)探測(cè)器將停留在木衛(wèi)二的軌道上[11]。

2.1.2 JIMO探測(cè)器

JIMO探測(cè)器構(gòu)型如圖6所示，前端是反應(yīng)堆和熱電轉(zhuǎn)換部分。反應(yīng)堆后端是一個(gè)輻射屏蔽區(qū)，通過(guò)屏蔽體實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的圓錐狀陰影屏蔽，減少對(duì)科學(xué)載荷部分的輻射。整個(gè)構(gòu)形的顯著特點(diǎn)是一根43m長(zhǎng)的主支撐桿，發(fā)射前為折疊收攏狀態(tài)[12]。主桿用于安裝散熱板，同時(shí)也將科學(xué)載荷部分與反應(yīng)堆隔離。主推進(jìn)為安裝在兩個(gè)可展開(kāi)的推進(jìn)板上的2組共8臺(tái)電推力器，比沖大于6000s，壽命大于7萬(wàn)h[13]。

圖6 JIMO收攏與展開(kāi)狀態(tài)構(gòu)型Fig. 6 Stowed and deployed configurations of JIMO

2.1.3 裂變電源系統(tǒng)

JIMO反應(yīng)堆電源的額定功率為100 kWe，熱電轉(zhuǎn)換部分包括兩個(gè)獨(dú)立的100 kWe的布雷頓（brayton）循環(huán)系統(tǒng)，采用He/Xe混合氣體作為工質(zhì)，設(shè)計(jì)冗余度100%。包括反應(yīng)堆、熱排放、功率調(diào)節(jié)和分配（PMAD）三大部分，產(chǎn)生的電能大部分用于電推力器。JIMO采用一種小型的采用外部反射體控制的快中子能譜堆型。熱電轉(zhuǎn)換部分采用超耐熱合金，渦輪機(jī)的入口溫度達(dá)到1150K，系統(tǒng)效率20%。系統(tǒng)中唯一的運(yùn)動(dòng)部件是單桿的星型渦輪離心壓縮機(jī)，由鉑氣浮軸承支撐。PMAD包括兩個(gè)完全冗余的模塊，可單獨(dú)為飛船提供100kWe的電能[14]。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生高頻三相交流電，高壓電供給電推進(jìn)系統(tǒng)，低壓電提供給中心計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備使用。多余的電能通過(guò)寄生負(fù)載輻射器分流，寄生負(fù)載輻射器用作一個(gè)可變的負(fù)載，來(lái)補(bǔ)償探測(cè)器用電需求的變化，并通過(guò)控制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整輸出的交流電頻率和電壓。散熱系統(tǒng)包括一個(gè)輸送液態(tài)金屬的熱循環(huán)系統(tǒng)和采用水冷的散熱板。散熱器包括兩組平翼，每組平翼由一系列的階梯型展開(kāi)的矩形散熱板組成，分布在屏蔽體的屏蔽半角范圍內(nèi)。廢熱通過(guò)流體回路（水或NaK合金）從冷卻器傳遞到散熱系統(tǒng)[14]。JIMO的空間核電源系統(tǒng)基本組成如圖7所示。

圖7 JIMO空間核電源系統(tǒng)基本組成Fig. 7 Basic composition of the nuclear power of JIMO

2.2 核熱推進(jìn)探測(cè)器

由約翰遜航天中心于20世紀(jì)90年代提出的火星設(shè)計(jì)參考任務(wù)（Design Reference Mission，DRM），以實(shí)現(xiàn)載人火星飛行為背景，已經(jīng)發(fā)布了包括DRM-1、DRM-2、DRM-3、DRM-4、DRA-5等幾個(gè)版本。最新的DRA-5如圖8所示，分析比較了核熱推進(jìn)和先進(jìn)的化學(xué)推進(jìn)?；谳d人火星飛行的任務(wù)假設(shè)，研究認(rèn)為無(wú)論對(duì)于貨運(yùn)還是載人，核熱推進(jìn)都是優(yōu)選方案[15]。核熱推進(jìn)同時(shí)具備大推力（10 klbf 量級(jí)，1 klbf≈4 448 N）和高比沖（875～950 s）的特點(diǎn)，是當(dāng)今液氫液氧化學(xué)推進(jìn)性能的兩倍。

2.2.1 任務(wù)概述

探測(cè)器計(jì)劃于2033年分7次進(jìn)行發(fā)射。前兩次是貨運(yùn)發(fā)射，將一艘貨運(yùn)著陸器布置到火星表面，將一艘航天員居住艙布置于火星軌道，等待26個(gè)月后的載人發(fā)射任務(wù)。期間90天需要進(jìn)行4次（間隔為30天左右）發(fā)射任務(wù)，將兩艘貨運(yùn)航天器所需的部件發(fā)射入軌。前兩次發(fā)射核熱推進(jìn)艙，每個(gè)艙體采用3個(gè)推力為111kN、比沖為900s的NTR核熱發(fā)動(dòng)，其余兩次發(fā)射火星貨運(yùn)著陸器以及航天員居住艙，發(fā)射過(guò)程中它們都被放置于整流罩中。而在火星大氣捕獲、再入、下降、著陸過(guò)程中，整流罩同時(shí)起到氣動(dòng)減速和熱防護(hù)的作用。推進(jìn)艙和載荷艙的交會(huì)對(duì)接過(guò)程在地球軌道進(jìn)行，NTR推進(jìn)艙將作為主動(dòng)飛行器[16]。

2.2.2 “哥白尼號(hào)”轉(zhuǎn)移飛行器

載人和貨運(yùn)火星轉(zhuǎn)移飛行器如圖 9所示，采用同樣的核心推進(jìn)艙，推進(jìn)艙通過(guò)3個(gè)推力為111kN的核熱推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的各種姿態(tài)控制。所有的艙段呈直線布置，根據(jù)需要可增加可拋的液氫儲(chǔ)箱艙段。推進(jìn)艙攜帶太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作為輔助的電能來(lái)源，主要用于關(guān)鍵分系統(tǒng)部件、低地球軌道巡航階段中的軌道保持等[15]。

貨運(yùn)飛行器IMLEO的近地軌道出發(fā)質(zhì)量為246.2t，再入艙30m，總長(zhǎng)度72.6m。再入艙包括減速殼、減速下降著陸系統(tǒng)、火星表面載荷等，總重103t。核熱推進(jìn)艙段總長(zhǎng)28.8m，發(fā)射質(zhì)量96.6t。液氫貯箱內(nèi)徑8.9m，推力59.4t。較短的液氫貯箱發(fā)射質(zhì)量46.6t，包括對(duì)接機(jī)構(gòu)等總長(zhǎng)13.3m，攜帶液氫34.1t。每一個(gè)貨運(yùn)飛船額外攜帶5.2t的推進(jìn)劑，用于低地球軌道運(yùn)行、姿態(tài)控制、中途軌道修正、火星軌道保持等。火星轉(zhuǎn)移階段中消耗的液氫約91t，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間39min，小于在NERVA計(jì)劃中地面試驗(yàn)的NRX-A6發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)62min的實(shí)際點(diǎn)火時(shí)間[17]。

圖8 DRA-5任務(wù)體系與流程Fig.8 DRA 5.0 Mission sequence summary

圖9 DRA-5中的核熱推進(jìn)載人與貨運(yùn)飛行器概念Fig.9 Crewed and cargo NTR design concepts in DRA-5

“哥白尼號(hào)”載人火星轉(zhuǎn)移飛行器（參見(jiàn)圖10）沒(méi)有設(shè)計(jì)人工重力環(huán)境，由3個(gè)基本部分組成：①核熱推進(jìn)段；②載人及有效載荷段；③鞍形桁架與可拋液氫貯箱組合體，用于連接前后兩個(gè)部分[17]。采用短期停留軌道方案時(shí)，飛往火星需要217天，火星停留30天，返回地球403天，任務(wù)總時(shí)間650天；采用長(zhǎng)期停留軌道方案時(shí)，飛往火星需要210天，火星停留496天，返回地球210天，任務(wù)總時(shí)間916天。

圖10 載人火星轉(zhuǎn)移飛行器（近地軌道出發(fā)前）Fig.10Crewed Mars transfer vehicle in LEO prior to departure

載人火星轉(zhuǎn)移飛行器IMLEO的近地軌道出發(fā)質(zhì)量為356.4t，全長(zhǎng)96.7m。同樣采用直線布置方式，采用自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)降低飛行器組裝難度。采用與貨運(yùn)飛行器一樣的核熱推進(jìn)艙段，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝有輔助的輻射屏蔽裝置，可為航天員提供額外的保護(hù)。與貨運(yùn)飛行器不同，載人飛行器安裝有鞍形桁架。為在合適的時(shí)間拋掉液氫貯箱，桁架的下半部分設(shè)計(jì)為開(kāi)口。采用4個(gè)12.5 kWe/125m2的矩形太陽(yáng)能電池板，安裝在鞍形桁架的前端，可為載人火星轉(zhuǎn)移飛行器提供約50 kWe的電能，用于生命支持、高速率對(duì)地通信等。載人火星往返飛行需要的液氫推進(jìn)劑為191.7t，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)紵龝r(shí)間為84.5min（火星轉(zhuǎn)移階段57.8min、火星軌道再入16min、地球軌道再入10.7min），小于NERVA（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application）項(xiàng)目中XE發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試中累計(jì)2h的地面點(diǎn)火時(shí)間[17]。

2.2.3 NTR系統(tǒng)

NTR使用緊湊的裂變反應(yīng)堆，采用93%的濃縮鈾（U）-235，輸出熱能數(shù)百兆瓦，可加熱液氫工質(zhì)到很高溫度以產(chǎn)生所需的推力。NTR主要組成如圖11所示，流經(jīng)兩個(gè)渦輪泵的高壓液氫工質(zhì)被分為兩路，其中一路用于冷卻加速?lài)姽?、壓力閥、中子反射層、控制鼓，另一路用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。之后兩路氫氣工質(zhì)合并為一路，加熱后的氫氣工質(zhì)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪泵。經(jīng)過(guò)渦輪泵之后再次繞到反應(yīng)堆壓力閥處，依次流經(jīng)內(nèi)部屏蔽、堆芯支撐結(jié)構(gòu)、堆芯燃料中的冷卻管路。在堆芯中，氫氣吸收了大量裂變產(chǎn)生的熱能，被加熱到很高溫度（2550～2950K）并在高擴(kuò)張比（約300:1）噴管中膨脹以產(chǎn)生推力[13,18]。在這一過(guò)程中，工質(zhì)的物理狀態(tài)也相應(yīng)地從泵出口的液態(tài)迅速變?yōu)楦邷貧鈶B(tài)。

圖11 核熱推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖Fig.11Sketch map of nuclear thermal propulsion

發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)雙渦輪泵調(diào)整液氫流量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、滿(mǎn)功率運(yùn)行、關(guān)機(jī)等不同的操作。多個(gè)安放在堆芯周?chē)瓷鋵訁^(qū)域的控制鼓用于調(diào)整堆芯中的中子水平和反應(yīng)堆功率。中子和伽馬射線屏蔽體內(nèi)部含有冷卻管路，放置于堆芯和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之間，防止發(fā)動(dòng)機(jī)部件遭受過(guò)量的輻射加熱造成材料性能的下降[18]。

NERVA堆芯是美國(guó)于1955年開(kāi)始的ROVER/NERVA計(jì)劃中設(shè)計(jì)的堆芯方案，是蜂巢換熱結(jié)構(gòu)的代表，如圖12所示。NERVA堆芯采用六角形燃料元件，元件軸向上有19個(gè)工質(zhì)流道。設(shè)計(jì)初期，燃料采用熱解碳包覆的UC2顆粒，直徑約0.2mm。這些燃料顆粒均勻地彌散在石墨基體中，通過(guò)擠壓和熱處理制成燃料元件。石墨雖具有較高的熔點(diǎn)，但易與高溫氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致燃料元件被腐蝕和燃料的流失。為保護(hù)石墨基體，通常采用化學(xué)方法在燃料元件的外表面和工質(zhì)孔道內(nèi)壁沉積一層碳化鋯保護(hù)層[13,18]。

圖12 NERVA中的燃料元件和支撐元件Fig.12 Schematic diagram of NERVA elements

3 聚變能探測(cè)器

聚變能是更高形式的核能利用方式。目前，主流的受控聚變方式有兩種：磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF），典型代表是國(guó)際合作的ITER項(xiàng)目和美國(guó)的NIF項(xiàng)目。與此同時(shí)，人們?cè)诜e極研究第3種聚變方式——有效融合MCF和ICF優(yōu)點(diǎn)的磁慣性約束聚變MIF[19]。目前MIF發(fā)展的概念有4種：MTF、M-ICF、PLE和基于Z箍縮的MagLIF。上述4種方式的物理過(guò)程和驅(qū)動(dòng)方式略有不同，但核心思想都是采用預(yù)先加熱并磁化的等離子體靶，對(duì)其進(jìn)行慣性壓縮以實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。對(duì)于相同規(guī)模的裝置，MIF驅(qū)動(dòng)器的成本只有MCF和ICF的1/100～1/10，在成本方面非常具備吸引力[19]。

3.1 磁約束聚變探測(cè)器

3.1.1 任務(wù)概述

為紀(jì)念并復(fù)現(xiàn)電影《2001——太空奧德賽》中的飛船，NASA格倫航天中心（NASA Johnh. Glenn Research Center）設(shè)計(jì)并研究了基于磁約束聚變的核動(dòng)力航天器[20]，并命名為“發(fā)現(xiàn)者2號(hào)”。其飛行目的地為木星或者土星，攜帶6名航天員，飛行時(shí)間小于1年，飛船載重比＞5%。

3.1.2 “發(fā)現(xiàn)者2號(hào)”

“發(fā)現(xiàn)者2號(hào)”整體構(gòu)型如圖13所示，飛船最前端是載人艙段，處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)以產(chǎn)生人工重力，通過(guò)中心輪轂與中心桁架相連。前端的桁架支撐兩組高、低溫平板式輻射器。中間桁架的外部捆綁有4個(gè)液氫貯箱，桁架內(nèi)部裝有D3He燃料貯箱、制冷系統(tǒng)，以及各種數(shù)據(jù)、電源、冷卻劑和推進(jìn)劑輸送管路等。中心桁架的后端是布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、啟動(dòng)反應(yīng)堆和蓄電池等。桁架的最后端安裝有球形聚變反應(yīng)堆、長(zhǎng)波等離子體加熱裝置、磁噴管等。探測(cè)器總長(zhǎng)240m，近地軌道組裝好后探測(cè)器的初始重量為1690t[20-21]。

為減少飛船轉(zhuǎn)向控制的難度，探測(cè)器在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量將熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、反應(yīng)堆、推進(jìn)劑等大部分的飛船質(zhì)量布置在接近推力矢量的方向，反應(yīng)堆布置在離載人艙盡量遠(yuǎn)的地方。由于飛船的主要任務(wù)為星際巡航，探測(cè)器僅設(shè)計(jì)了一個(gè)交會(huì)對(duì)接口。

圖13 “”發(fā)現(xiàn)者2號(hào)“構(gòu)型Fig.13 The Discovery II configuration

重量方面，探測(cè)器攜帶的D3He燃料為11t，液氫推進(jìn)劑861t，有效載荷（包括載人艙、屏蔽、消耗品等）172t，結(jié)構(gòu)（包括中心桁架、聚變堆、磁噴管、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、長(zhǎng)波等離子體加熱裝置、蓄電池、電子通信系統(tǒng)等）重量646t[20]。

整個(gè)任務(wù)先期需要7次發(fā)射，第1次將發(fā)射中心桁架、裂變堆、反應(yīng)控制系統(tǒng)、蓄電池、通信、電子、熱電轉(zhuǎn)換、散熱板、制冷裝置、PF線圈、燃料貯箱、燃料注入等其他系統(tǒng)。第2次將把聚變堆和磁噴管等發(fā)射入軌，第3次將發(fā)射整個(gè)人工重力裝置，第4～7次任務(wù)將發(fā)射4個(gè)裝滿(mǎn)液氫的推進(jìn)劑貯箱[20]。

3.1.3 能源推進(jìn)系統(tǒng)

聚變反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)過(guò)程中秉持盡量減少反應(yīng)堆重量、最大化輸出功率的宗旨，聚變堆熱量直接排放并且不設(shè)置包容容器。反應(yīng)堆小半徑2.48m，環(huán)徑比2，環(huán)向β加長(zhǎng)（3:1），等離子體電流66MA，中心線磁場(chǎng)強(qiáng)度8.9t。上述條件會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)向電流（9.2MA）。12個(gè)環(huán)向線圈用于產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)，及7個(gè)極向線圈用于穩(wěn)定等離子體[20]。

聚變反應(yīng)堆剖面如圖14所示，堆的中心線為液氫流通管路，鈦合金結(jié)構(gòu)用于支撐感應(yīng)電流線圈負(fù)載，其與液氫流通管路中間為真空間隙。支撐大電流產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)外部包覆有高溫超導(dǎo)線圈，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有冷卻通道，用于傳導(dǎo)熱量以提供低溫環(huán)境。磁場(chǎng)的作用是約束熱等離子體使之不與第一壁接觸。透過(guò)第一壁的大部分輻射被碳–石墨–W2B5屏蔽體吸收，第一壁為雙層復(fù)合碳纖維殼體，在直接與等離子體接觸的一側(cè)壁面上涂有鈹[20,22]。

反應(yīng)堆的能量通過(guò)磁噴管分兩步產(chǎn)生推力，由偏濾器出來(lái)的高能等離子體與液氫推進(jìn)劑混合，在降低過(guò)熱溫度的同時(shí)增加推進(jìn)劑質(zhì)量流量。之后，推進(jìn)劑通過(guò)磁噴管加速產(chǎn)生推力。同時(shí)，磁噴管的磁場(chǎng)可有效阻止高溫等離子體與磁噴管線圈、噴管結(jié)構(gòu)直接接觸。對(duì)于完全電離的推進(jìn)劑，磁噴管的磁場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)容器，可有效降低主動(dòng)制冷的壓力。磁噴管、聚變堆與布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如圖15所示。

圖14 聚變反應(yīng)堆剖面示意Fig.14Sketch map of Fusion reactor

圖15 磁噴管、聚變堆與布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Fig.15 Magnetic nozzle,spherical torus reactor and brayton power conversion

要實(shí)現(xiàn)2000～5000s的比沖并在數(shù)月之內(nèi)飛往柯伊伯帶以外行星，所需的等離子體溫度為數(shù)百eV。為產(chǎn)生合適的比沖，進(jìn)入偏濾器的高溫、低數(shù)量密度等離子體必須在噴管內(nèi)加速之前調(diào)整到合適的參數(shù)。該過(guò)程是通過(guò)調(diào)節(jié)從反應(yīng)堆中逃離的等離子體數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，等離子體加熱并電離液氫推進(jìn)劑。液氫推進(jìn)劑在穿過(guò)反應(yīng)堆軸線過(guò)程中被中子和軔致輻射加熱，并將大多數(shù)的推進(jìn)劑速度方向調(diào)整為反應(yīng)堆軸向方向，之后進(jìn)入偏濾器[20]。

上述聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量約7895MW，其中96%的能量由等離子體攜帶，其余主要是高能中子（2.45MeV）。75%的能量直接用于加熱液氫來(lái)產(chǎn)生推力（17.8～26.7kN、比沖3500～4700s），大部分的韌致輻射（1016MW）和中子輻射（307MW）能量被反應(yīng)堆吸收，由高溫散熱板輻射的廢熱約1119MW，有96MW的熱量被用于發(fā)電，輸出電能約29MW，可用于冷卻劑/推進(jìn)劑泵浦以及蓄電池充電等。發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的67MW廢熱由低溫散熱板排出。

發(fā)電過(guò)程采用閉環(huán)布雷頓熱電轉(zhuǎn)換方式，熱端溫度1700K，氦氣壓強(qiáng)7.5MPa，循環(huán)的最高最低溫度比為3.5，壓強(qiáng)比4.95。系統(tǒng)整體效率約29.8%，氦氣流量26.3kg/s，散熱板上下表面同時(shí)散熱，散熱總面積1萬(wàn)m2，采用12塊16.6m×25m的矩形平板散熱板。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速26800rpm，由4極交流發(fā)電機(jī)輸出1200Hz的三相交流電，路端電壓設(shè)計(jì)為10kVAC[20]。參見(jiàn)圖16。

圖16 聚變能輸出和利用Fig. 16 Fusion power output and utilization

3.2 Z箍縮聚變探測(cè)器

3.2.1 任務(wù)概述

2001年，NASA“革命性宇航系統(tǒng)概念”RASC啟動(dòng)，旨在對(duì)未來(lái)25～40年內(nèi)的潛在科學(xué)任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)。2002年，RASC組織“人類(lèi)小行星帶外行星探索”（HOPE）團(tuán)隊(duì)研究載人飛出太陽(yáng)系的可行性。主要研究三方面內(nèi)容：無(wú)人/載人核熱推進(jìn)、無(wú)人/載人核電推進(jìn)、載人聚變推進(jìn)。馬歇爾航天中心的聚變推進(jìn)采用磁化靶（MTF）聚變方式，為載人火星往返任務(wù)設(shè)計(jì)，探測(cè)器可重復(fù)使用[23]。2010年，馬歇爾航天中心的“先進(jìn)概念辦公室”（ACO）又提出了更為先進(jìn)的基于Z箍縮的聚變方案。

為客觀評(píng)價(jià)Z箍縮聚變的實(shí)際效果，ACO假定了3種飛行任務(wù)。一為載人火星往返飛行，要求總的飛行時(shí)間少于6個(gè)月；二為木星往返飛行，總的飛行時(shí)間少于3年；三為飛往距離太陽(yáng)550AU的某個(gè)目的地，時(shí)間少于35年，分析過(guò)程中飛船有效載荷設(shè)定為150t。

3.2.2 Z箍縮聚變探測(cè)器

Z箍縮聚變探測(cè)器主要由兩部分組成：其一是Z箍縮聚變推進(jìn)部分，包括電容器組、Z箍縮聚變磁噴管等；其二是探測(cè)器主結(jié)構(gòu)部分，包括桁架、輔助裂變能源系統(tǒng)、散熱板、著陸艙、星表居住艙、原位資源利用艙等；箍縮飛行器構(gòu)型如圖17所示。

圖17 Z箍縮飛行器構(gòu)型Fig.17 Z-Pinch vehicle configuration

3.2.3 能源推進(jìn)系統(tǒng)

Z箍縮聚變發(fā)生的前提條件是等離子體在極短的時(shí)間（10–6s）內(nèi)通過(guò)極大的電流（MA），該電流感生出的磁場(chǎng)進(jìn)而壓縮等離子體至聚變狀態(tài)。對(duì)于聚變推進(jìn)系統(tǒng)而言，Z箍縮的發(fā)生需使用環(huán)形噴管，噴管內(nèi)部為D-T燃料，噴管外部為L(zhǎng)i6。其圓錐形構(gòu)型可以使D-T燃料和Li6在類(lèi)似于陰極的某一點(diǎn)相遇，Li6同時(shí)作為電流回路和屏蔽層。該構(gòu)型的另一優(yōu)勢(shì)在于中子和Li6的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氚，進(jìn)一步增加聚變反應(yīng)輸出的能量[24]，如圖18所示。

圖18 中心軸處的Z箍縮陰極Fig.18 Z-Pinch cathode runs axially down center

假設(shè)反應(yīng)過(guò)程中Li6不與D-T燃料反應(yīng)，僅增加排出物的質(zhì)量。在這樣的保守估計(jì)下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可達(dá)38kN，比沖19436s（脈沖頻率10Hz），綜合性能可達(dá)化學(xué)推進(jìn)的40倍[24]。

聚變過(guò)程產(chǎn)生的能量通過(guò)磁噴管（參見(jiàn)圖19）轉(zhuǎn)化為探測(cè)器的有效脈沖，8根通電線圈組成拋物面形磁噴管，而聚變反應(yīng)的位置剛好是其焦點(diǎn)。每個(gè)線圈通電后會(huì)產(chǎn)生如上圖所示的磁場(chǎng)。聚變發(fā)生后，快速膨脹的高溫等離子體殼壓縮磁力線至等離子體與線圈之間的環(huán)形區(qū)域。由于磁力線的壓縮，使得作用在等離子體殼上的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，起到了阻止等離子體接觸線圈的作用。此時(shí)，沿磁噴管軸線的反作用力作用在磁噴管上，將膨脹等離子體的動(dòng)能傳遞給探測(cè)器。等離子體噴出后，磁力線又恢復(fù)到初始位置，在整個(gè)過(guò)程中，等離子體不斷地膨脹和排出，磁場(chǎng)類(lèi)似于做彈簧運(yùn)動(dòng)[24]。而在每次的聚變反應(yīng)中，必須在100 ns的時(shí)間內(nèi)對(duì)D-T燃料施加很大的電流。因此，必須采用可以快速放電的低電容裝置。每次聚變發(fā)生后，電容器組快速充電為下一次聚變做好準(zhǔn)備，其充電電能來(lái)自于等離子體膨脹過(guò)程中在線圈中產(chǎn)生的感生電流。

圖19 磁噴管截面圖和其中膨脹的等離子體Fig.19 Magnetic nozzle in cross-section and expanding plasma

磁噴管構(gòu)型如圖20所示，主要由線圈支撐結(jié)構(gòu)和8個(gè)同心圓通電線圈組成。磁噴管在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮以下幾個(gè)因素：①?lài)姽艿乃薪M成部分需要能有效防止高能中子輻射對(duì)其造成的物理?yè)p傷；②噴管結(jié)構(gòu)在慢中子的照射下會(huì)產(chǎn)生放射性；③聚變過(guò)程中產(chǎn)生的大量的熱能，需要采取有效的手段降低噴管結(jié)構(gòu)的溫度以保持其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了在一定程度上降低中子輻射的影響，需要提出一種多層的復(fù)合屏蔽體方案，該屏蔽外部需有效地阻礙快中子而允許慢中子通過(guò)，之后的各層屏蔽重復(fù)上述過(guò)程直至中子能量降低到一定水平。由于熔融FLiBe（氟化鋰和氟化鈹?shù)幕旌衔铮┛捎行凶?、具有較高的氣化溫度和合適的黏度，在通電線圈中作為主要的屏蔽材料。除作為屏蔽材料外，F(xiàn)LiBe還可以作為磁噴管的冷卻劑，磁噴管需要在不高于1500K（磁噴管最熱部位可承受的溫度）的條件下使用，低于FLiBe的氣化溫度[24]。

圖20 磁噴管構(gòu)型Fig. 20 Nozzle configuration

除FLiBe屏蔽冷卻通道外，通電線圈主要由兩個(gè)線圈組成，其一為超導(dǎo)線圈，在聚變發(fā)生之前產(chǎn)生充滿(mǎn)噴管的初始磁場(chǎng)；其二為普通的導(dǎo)電線圈，等離子體膨脹過(guò)程產(chǎn)生的感應(yīng)電流由此線圈通過(guò)。除上述兩個(gè)線圈外，線圈設(shè)計(jì)中還考慮了機(jī)械支撐、冷卻、中子屏蔽等各種因素。

線圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖21所示，超導(dǎo)線圈浸在液氮中。超導(dǎo)體（YBa2Cu3O7）轉(zhuǎn)變溫度為92K，液氮可使其溫度保持在77K。推力線圈在高溫條件下具有很好的導(dǎo)電性和強(qiáng)度特性[25]。

圖21 主動(dòng)冷卻線圈剖視結(jié)構(gòu)和屏蔽Fig.21 Cross-section of the structure and shielding around an activelycooled ring assembly

盡管高強(qiáng)磁場(chǎng)可以阻止高溫等離子體與噴管結(jié)構(gòu)相接觸并且采取了一定的冷卻措施，但還不足以保護(hù)噴管結(jié)構(gòu)對(duì)聚變反應(yīng)過(guò)程中軔致輻射和中子輻射的影響，如果不采取進(jìn)一步的主動(dòng)冷卻措施，噴管結(jié)構(gòu)溫度會(huì)很快上升并融化。

為此，可在磁噴管結(jié)構(gòu)和線圈中設(shè)計(jì)復(fù)雜的冷卻管路，通過(guò)熔融FLiBe將聚變熱量傳遞給布雷頓循環(huán)中的熱交換器。布雷頓循環(huán)采用氦氣（He）作為工質(zhì)，廢熱由NaK熱管散熱板排出。由于在不同飛行階段比如接近目的地時(shí)，需要關(guān)閉聚變推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減速，若沒(méi)有其他熱源，F(xiàn)LiBe將無(wú)法維持熔融狀態(tài)。從整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的角度考慮，是不希望FLiBe凝固的。為此，上述發(fā)電系統(tǒng)中還加入了SP-100的裂變堆提供輔助能源。SP-100輸出功率375MW，系統(tǒng)效率19%，采用鎢（W）和氫化鋰屏蔽。通常情況下，SP-100產(chǎn)生的廢熱由其單獨(dú)的散熱板排散，當(dāng)聚變堆不工作時(shí)，SP-100產(chǎn)生的廢熱又可以傳遞給布雷頓循環(huán)的熱交換器，保證FLiBe保持熔融狀態(tài)[23]。探測(cè)器整體的散熱系統(tǒng)分為3個(gè)獨(dú)立的部分，分別是低溫散熱板：主要供載人艙和電子儀器散熱使用；中溫散熱板（800K），主要為SP-100熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)散熱；高溫散熱板（1250K）：主要供聚變推進(jìn)系統(tǒng)散熱使用。參見(jiàn)圖22。

不同飛行任務(wù)下，Z箍縮聚變探測(cè)器的資源消耗如表1所示，由于采用了一種更高形式的聚變利用方式，可30天左右飛往火星，1.4年內(nèi)飛往木星。

表1 任務(wù)分析結(jié)果[24]Table 1 Results of mission analysis

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 主要啟示

總結(jié)過(guò)去60多年空間核動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，可得出下述方面主要啟示：

1）空間核動(dòng)力技術(shù)是大國(guó)綜合實(shí)力的體現(xiàn)

空間核動(dòng)力的發(fā)展涉及航天和核兩個(gè)系統(tǒng)領(lǐng)域，是大國(guó)綜合實(shí)力的表現(xiàn)。當(dāng)前，只有美蘇有核動(dòng)力航天器上天，美國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)在RTG領(lǐng)域，蘇聯(lián)的發(fā)展重點(diǎn)在反應(yīng)堆電源領(lǐng)域。RTG向更高效率的方向發(fā)展，隨著先進(jìn)材料的研制成功，溫差電的轉(zhuǎn)換效率會(huì)大幅提高，壽命也會(huì)大幅延長(zhǎng)。同時(shí)，溫差電結(jié)合斯特林（Stirling）動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)將使RTG的熱電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。在反應(yīng)堆電源方面，目前上天的全部采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括BUK堆采用的溫差電技術(shù)和TOPAZ堆采用的熱離子發(fā)電技術(shù)。地面研究方面，靜態(tài)轉(zhuǎn)換的熱離子、溫差、AMTEC等技術(shù)都在開(kāi)展研究，布雷頓、斯特林等動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)也開(kāi)展了好多年的地面測(cè)試。更先進(jìn)的磁流體發(fā)電技術(shù)結(jié)合反應(yīng)堆的空間核電源方案也在開(kāi)展研究。而在研究的國(guó)家方面，從最初的美俄，到現(xiàn)在歐盟、日本、印度等國(guó)的加入，世界各航天大國(guó)都在努力促進(jìn)空間核電源的實(shí)用化、工程化。

2）空間核動(dòng)力已成為各航天大國(guó)深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

縱觀美俄等航天大國(guó)在深空探測(cè)活動(dòng)中的發(fā)展歷程和趨勢(shì)，核動(dòng)力探測(cè)器必然經(jīng)歷由衰變能、裂變能到聚變能的轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21世紀(jì)，世界各主要航天大國(guó)均提出了自己的深空探測(cè)計(jì)劃，尤其未來(lái)幾年密集的火星探測(cè)任務(wù)。在這些任務(wù)中，受發(fā)射質(zhì)量、體積等方面的限制，核電源具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。更遠(yuǎn)的深空如木星及木星以遠(yuǎn)，將是核動(dòng)力航天器大顯威力的舞臺(tái)，空間核動(dòng)力將是各國(guó)進(jìn)入更遠(yuǎn)的深空、探索更遠(yuǎn)邊界的使能技術(shù)。

圖22 Z箍縮聚變航天器熱控能源系統(tǒng)[24]Fig.22 Power and thermal rejection schematic of Z-pinch vehicle

空間核動(dòng)力離不開(kāi)地面反應(yīng)堆的發(fā)展但又有所區(qū)別，其運(yùn)行條件比地面反應(yīng)堆更為苛刻。一方面，受發(fā)射體積重量等因素的制約，空間核動(dòng)力裝置首先要考慮的是質(zhì)量和體積的限制；另一方面，對(duì)于無(wú)人或者載人核動(dòng)力航天器，在深遠(yuǎn)的空間中，核能都將是唯一的能源，其能否長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系整個(gè)任務(wù)的成敗甚至航天員的生命。

3）深空探測(cè)還未使用裂變能或聚變能，但這方面的研究從未停止

空間核動(dòng)力已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，取得了豐富的研究成果。多個(gè)使用放射性RTG和反應(yīng)堆電源的航天器進(jìn)入近地空間和遙遠(yuǎn)的深空，將人類(lèi)探索的步伐延伸到太陽(yáng)系邊緣。但目前核能的利用效率很低，美國(guó)唯一的一顆使用反應(yīng)堆電源的衛(wèi)星為采用SNAP-10A核電源的SNAPSHOT。SNAP-10A采用靜態(tài)溫差發(fā)電方式，輸出功率500We，使用壽命1年。前蘇聯(lián)發(fā)射了多達(dá)32顆使用BUK反應(yīng)堆電源的RORSAT海洋監(jiān)視衛(wèi)星，采用溫差發(fā)電方式。1987年，前蘇聯(lián)發(fā)射了兩顆采用TOPAZ反應(yīng)堆電源的Plasma衛(wèi)星，采用熱離子發(fā)電方式。上述使用核反應(yīng)堆的衛(wèi)星均為靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)化效率低。受政策、技術(shù)等方面的影響，目前還沒(méi)有采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換反應(yīng)堆電源的深空探測(cè)器上天，但地面已開(kāi)展了大量的基于布雷頓、斯特林等的試驗(yàn)研究。核熱推進(jìn)方面，從1955年開(kāi)始，美國(guó)斷斷續(xù)續(xù)研究了60多年，從ROVER/NERVA計(jì)劃，到SNTP計(jì)劃，再到后來(lái)的太空探索倡議計(jì)劃SEI等，都在不斷推進(jìn)核熱技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，先進(jìn)的液態(tài)和氣態(tài)堆芯方案也不斷提出。聚變推進(jìn)方面，也有相關(guān)的地面試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，如國(guó)際合作的ITER計(jì)劃、美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的Z箍縮聚變裝置等。

4.2 建 議

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，美國(guó)的空間核動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其無(wú)人深空探測(cè)器早已飛遍太陽(yáng)系八大行星和個(gè)別小行星。Voyager已經(jīng)飛出太陽(yáng)系，其上的RTG已工作近40年。在獲得大量觀測(cè)成果和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，極大地推動(dòng)了人類(lèi)文明的發(fā)展。蘇聯(lián)在空間反應(yīng)堆電源雖然最初用于軍事，但其前期探索為將來(lái)反應(yīng)堆電源的發(fā)射、運(yùn)行、在軌處置、對(duì)地球生態(tài)圈的安全性等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

作為深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的空間核動(dòng)力技術(shù)，無(wú)論是在小功率的RTG方面，還是在可以支持大型空間任務(wù)甚至載人火星飛行的空間反應(yīng)堆電源技術(shù)方面，乃至空間聚變能技術(shù)方面，中國(guó)都應(yīng)該制定完整體系的空間核動(dòng)力發(fā)展計(jì)劃，搶占深空領(lǐng)域發(fā)展的制高點(diǎn)。

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