陳 杰，高劭倫，夏陳超，潘 軍，周劍雄，羅 超

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.上?？臻g電源研究所，上海 201109；3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著人類探索、利用空間的深度與廣度不斷拓展，亟需空間動力技術(shù)不斷進(jìn)步，來提供電源和推進(jìn)動力的支撐。目前，基于太陽能、化學(xué)能的空間電源與空間推進(jìn)技術(shù)，其技術(shù)能力發(fā)展已接近極限水平。例如，目前太陽光伏電池最高光電轉(zhuǎn)換效率為32%～36%，鋰離子蓄電池最高比能量為190～250 Ah/kg，考慮航天器可接受太陽帆面積與質(zhì)量約束，太陽翼與蓄電池組合輸出最大功率約為50 kWe；液體單組元（無水肼N2H4、單推三DT-3、硝酸羥氨基HAN 等）、液體可貯存雙組元（四氧化二氮/一甲基肼NTO/MMH 和四氧化二氮/無水肼NTO/N2H4）、液體雙元低溫推進(jìn)（液氧/液氫LOX/LH2）推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)的最高比沖分別為220～245 s、315～325 s 和440～465 s?？臻g核動力技術(shù)是突破空間動力技術(shù)能力發(fā)展極限的現(xiàn)實(shí)可選技術(shù)，發(fā)展空間核動力技術(shù)是航天強(qiáng)國建設(shè)的重要戰(zhàn)略方向。

空間核動力裝置泛指在空間將核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能和推進(jìn)動能，為空間應(yīng)用提供動力的裝置。核能包括放射性同位素（或同質(zhì)異能素）的衰變能[1]、重核裂變能、輕核聚變能、正反物質(zhì)湮滅能，其中衰變能和裂變能是目前工程上實(shí)現(xiàn)可控應(yīng)用的核能。核能通過衰變和裂變直接產(chǎn)生熱能，熱能可為空間極端低溫環(huán)境設(shè)備和艙室提供保溫；熱能也可通過各種熱電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸榭臻g設(shè)備供電；熱能還可直接加熱推進(jìn)工質(zhì)，經(jīng)發(fā)動機(jī)噴管將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，形成核熱推進(jìn)裝置，為航天器提供核熱推進(jìn)動力；電能可電離推進(jìn)工質(zhì)，對電子和離子施加電場庫倫力或電磁洛倫茨力，形成核電推進(jìn)裝置，為航天器提供電推進(jìn)動力。核能與熱能、電能、動能的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1 所示。

圖1 空間核能應(yīng)用能量轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.1 Illustration of utilization of space nuclear energy

空間核動力的技術(shù)體制選擇主要取決于動力應(yīng)用、核燃料類型、熱電轉(zhuǎn)換、推進(jìn)方式等。其中，每一種技術(shù)體制有特定的適應(yīng)范圍，主要依據(jù)使用要求、使用壽命和技術(shù)可行性進(jìn)行合理選擇。呈現(xiàn)了適用于不同應(yīng)用的各種空間核動力系統(tǒng)主要可選技術(shù)體制如圖2 所示。

圖2 空間核動力系統(tǒng)適用不同應(yīng)用的主要技術(shù)體制Fig.2 Different technology options of space nuclear power

空間核電源可用于太陽光照極弱的深遠(yuǎn)空環(huán)境，或有大功率需求的空間應(yīng)用場景。其中，基于放射性同位素的核衰變電源工作壽命可達(dá)幾十年，但是僅能提供數(shù)瓦到數(shù)百瓦電功率，目前其使用主要受限于核衰變材料238Pu 的來源和價格問題；基于空間堆的核裂變電源，可提供數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦的電功率，在功率大于100 kWe 量級時，相對于太陽能電源系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，如圖3 所示[2]。

大功率空間核電推進(jìn)比沖性能可達(dá)5 000～10 000 s 量級，但是僅能提供“牛頓”量級的小推力；空間核熱推進(jìn)推力可達(dá)數(shù)噸到數(shù)十噸量級，采用氫作為工質(zhì)產(chǎn)生的比沖可達(dá)1 000 s 量級，相對最高比沖的低溫液氫/液氧化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，比沖可提高1 倍以上。

圖3 各種空間能源類型適應(yīng)的功率和壽命范圍Fig.3 Electric power and using life of different space power

本文重點(diǎn)圍繞空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)，概述了國外技術(shù)發(fā)展情況，梳理了其在地球軌道空間及深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用需求，對我國未來空間核電源技術(shù)體制提出了發(fā)展建議。在此基礎(chǔ)上，分析了空間核動力主要關(guān)鍵技術(shù)，可為后續(xù)空間核動力技術(shù)研究提供參考。

1 國際上空間堆電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從人類進(jìn)入空間時代開始，早期太陽能電源技術(shù)不成熟，觸發(fā)了蘇美兩國空間核電源技術(shù)的發(fā)展。美國雖然是最早實(shí)現(xiàn)空間反應(yīng)堆上天的國家，但是總體上目前俄羅斯在基于裂變堆的空間核動力技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位，美國則在基于放射性同位素衰變能的空間電源方面處于國際領(lǐng)先地位[3-10]。

1.1 蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)展情況

蘇聯(lián)/俄羅斯從20 世紀(jì)60 年代開始了包括空間核反應(yīng)堆電源在內(nèi)的空間核動力技術(shù)研究，已經(jīng)取得了顯著的成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

從20 世紀(jì)60 年代至80 年代，蘇聯(lián)研制了ROMASHKA、BUK、TOPAZ-1 和TOPAZ-2 等多個型號的空間核反應(yīng)堆電源，電功率從數(shù)百瓦至數(shù)千瓦量級。其中，ROMASHKA 型僅進(jìn)行了地面長時間壽命試驗(yàn)，采用液態(tài)金屬冷卻快中子堆和溫差發(fā)電技術(shù)路線，系統(tǒng)質(zhì)量為508 kg，電功率約為0.5 kWe；BUK 型采用同樣技術(shù)路線，系統(tǒng)質(zhì)量為930 kg，電功率約為3 kWe，1970—1988 年共發(fā)射了35次，其中成功33 次，運(yùn)行壽命最長為135 d；TOPAZ-1 型采用液態(tài)金屬冷卻熱中子堆與熱離子發(fā)電的技術(shù)路線，系統(tǒng)質(zhì)量約為1 t，電功率約為7 kWe，1987 年發(fā)射入軌兩顆，運(yùn)行壽命最長的為342 d；TOPAZ-2 型采用同樣技術(shù)路線，改進(jìn)了發(fā)電效率，系統(tǒng)質(zhì)量約為1 t，電功率約為5.5 kWe，僅完成了地面集成試驗(yàn)，后因蘇聯(lián)解體而研制停止。

蘇聯(lián)解體之后，俄羅斯以國際合作的方式開展了一些空間核動力技術(shù)研究，但總體上發(fā)展相對緩慢。進(jìn)入21 世紀(jì)，俄羅斯欲重樹航天領(lǐng)先地位，2009 年宣布投資170 億盧布研發(fā)兆瓦級空間核動力飛船，用于太陽系內(nèi)載人或無人的探索任務(wù)。兆瓦級核動力飛船電功率約1 MWe，一回路采用高溫氣冷快堆與布雷頓熱電轉(zhuǎn)換，二回路采用泵驅(qū)流體回路結(jié)合熱管或液滴輻射冷卻的技術(shù)路線，設(shè)計使用壽命10 a，擬采用比沖達(dá)7 000 s 的離子電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行空間任務(wù)。

1.2 美國發(fā)展情況

美國從20 世紀(jì)50 年代開始空間核動力研究，同樣已有良好的技術(shù)儲備，把空間核動力視為重要戰(zhàn)略發(fā)展方向持續(xù)投入，其空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)的發(fā)展包含了幾個典型的階段。

1954 年，美國啟動“誘騙者”計劃（后改為SNAP 計劃）開展空間核反應(yīng)堆電源研究。在該計劃成果支撐下，1965 年美國成功將SNAP-10A 送入太空，使其成為美國第一個也是唯一的空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)。SNAP-10A 采用熱中子堆結(jié)合溫差發(fā)電技術(shù)路線，電功率約0.5 kWe，熱電轉(zhuǎn)換效率僅為1.6%，它為衛(wèi)星平臺提供電能，在軌運(yùn)行了43 d。隨著20 世紀(jì)70 年代美國空間政策重心的調(diào)整，SNAP 計劃被終止。

1983 年，美國提出戰(zhàn)略防御計劃（SDI），催生出了SP-100 空間核反應(yīng)堆電源，作為其空間能源供應(yīng)方案。SP-100 采用溫差發(fā)電的鋰?yán)淇於鸭夹g(shù)路線，初期電功率為100 kWe，后調(diào)整至20～40 kWe。通過結(jié)合離子電推力器，SP-100 可被用于火星和小行星探測等多類型任務(wù)。1989 年，美國提出以重返月球和登陸火星為目標(biāo)的太空探索倡議（SEI），曾提出了基于核電推進(jìn)的無人探測與貨運(yùn)方案（基于SP-100 空間核反應(yīng)堆）。SP-100 計劃于1994 年隨著冷戰(zhàn)結(jié)束而終止。

2003 年，美國實(shí)施“普羅米修斯”計劃，第一階段的任務(wù)是利用核電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行木星衛(wèi)星探測，軌道器稱為JIMO（Jupiter Icy Moons Orbiter）[11]。JIMO 設(shè)計壽命20 a，采用高溫氣冷快堆結(jié)合布雷頓熱電轉(zhuǎn)換的方案，電功率約200 kWe，配備比沖大于6 000 s 的離子電推力器，其外形布局如圖4 所示。2006 年普羅米修斯計劃由于政策調(diào)整而被終止。

圖4 美國JIMO 核動力航天器方案示意Fig.4 Illustration of the JIMO nuclear spacecraft

2006 年至今，美國重點(diǎn)開展經(jīng)濟(jì)和技術(shù)更加可行的星球表面用核反應(yīng)堆電源（FSP）研究。FSP 系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計為數(shù)十千瓦級，用于月球或火星表面的基地供能。此外，千瓦級電功率的核電源也在同步發(fā)展，且隨著斯特林技術(shù)的突破進(jìn)展迅速。2017 年底至2018 年初，美國NASA 與國家能源局順利完成了千瓦級星表基地用空間堆電源系統(tǒng)Kilopower 的地面樣機(jī)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的合理和可行性，奠定了后續(xù)工程應(yīng)用的堅(jiān)實(shí)一步。Kilopower 核電源系統(tǒng)質(zhì)量約400 kg，采用鈉金屬熱管冷卻堆結(jié)合斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)路線，電功率1～10 kWe，發(fā)電效率為24%，期望壽命15 a，通過模塊化組合可滿足未來月球/火星基地能源需求。

1.3 歐盟發(fā)展情況

除了美俄以外，歐洲的法國、德國和意大利等國在過去的數(shù)十年里也開展了空間核動力技術(shù)探索和概念研究。近年來，歐盟委員會支持了HiPER、DiPoP 和MEGAHIT 3 個空間核電推進(jìn)項(xiàng)目[12]。其中，DiPoP 計劃的功率較低（2011—2013年，20～200 kWe），MEGAHIT 計劃的功率較高（2013—2014 年，1 MWe）。

DiPoP 計劃是一項(xiàng)歐洲空間電源和推進(jìn)技術(shù)及其應(yīng)用的研究型項(xiàng)目，重點(diǎn)研究空間核反應(yīng)堆、公眾接受性原則、發(fā)射和運(yùn)行流程等，其應(yīng)用目標(biāo)是載人火星任務(wù)、行星探索（如木星樣本返回任務(wù)和海王星軌道勘測任務(wù)），以及近地危險天體防御。

MEGAHIT 計劃是歐盟和俄羅斯聯(lián)合項(xiàng)目，旨在為空間核電推進(jìn)航天器提供電能，該計劃中的航天器長度大于30 m，輸出電功率為1 MWe，質(zhì)量大于20 t，運(yùn)行壽命10 a，計劃2030 年之后執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。MEGAHIT 的任務(wù)需求包括近地危險目標(biāo)（小行星）移除、深空探測、太空拖船和載人火星探測等。

1.4 國際上典型空間核電源特性參數(shù)情況

圖5 歸納總結(jié)了國際上已飛行應(yīng)用（或完成地面研究試驗(yàn)）的典型空間核裂變反應(yīng)堆電源與放射性同位素電源系統(tǒng)的特性參數(shù)情況[13]，包括熱電轉(zhuǎn)換效率與熱端溫度之間關(guān)系，核電源質(zhì)量比功率與輸出電源功率之間關(guān)系。

圖5 國際上典型核電源系統(tǒng)的效率和比功率特性Fig.5 Efficiency and specific power of typical space nuclear power

由圖5 可分析如下：如果依據(jù)熱電轉(zhuǎn)換效率（Efficiency）選擇技術(shù)方案，動態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換效率從高到低依次為斯特林（Stirling）、布雷頓（Brayton）和朗肯（Rankine），靜態(tài)方案轉(zhuǎn)換效率依次為熱光伏（Thermophotovoltaic）、分段式熱電子（Segmented Thermoelectric）、熱離子（Thermionics）、熱電子（Thermoelectrics，或稱為溫差/熱電偶）。其中，熱離子和熱光伏方案一般需要較高的熱端溫度（1 200～1 300 K 以上），對材料提出了較苛刻要求。

如果依據(jù)質(zhì)量比功率（Specific Power）選擇方案，對于50～100 kWe 功率以上裂變電源系統(tǒng)（Fission Power Systems），最佳比功率依次為朗肯、布雷頓、熱離子；對于1～50 kWe 功率范圍裂變電源系統(tǒng)，最佳依次為斯特林、熱電子、熱離子；對于1 kWe 以下同位素電源系統(tǒng)（Radioisotope Power Systems）小功率，最佳選擇依次為熱光伏、斯特林、熱電子方案。

1.5 發(fā)展特點(diǎn)與趨勢分析

從國際發(fā)展歷程來分析，空間堆電源發(fā)展主要有幾個特點(diǎn)與趨勢：

1）空間核電源早期發(fā)展的驅(qū)動力是解決航天器太陽能電源供給技術(shù)不成熟問題，當(dāng)前發(fā)展的驅(qū)動力是解決缺少太陽光照和需要大功率用電的使用場景，特別是近地軌道以遠(yuǎn)的科學(xué)探測任務(wù)和近地軌道潛在軍事應(yīng)用驅(qū)動了技術(shù)的發(fā)展。

2）當(dāng)前空間堆核電源目前在小功率（1～10 kWe）和大功率（100 kWe～1 MWe）兩個功率檔次分別得到國際上的重點(diǎn)關(guān)注。前者主要應(yīng)對238Pu供應(yīng)缺失問題，針對原來使用衰變能或長壽命深空探測使用場景；后者主要解決軌道運(yùn)輸、星表基地建設(shè)、載人火星探測、小行星防御等大功率航天應(yīng)用需求。

3）盡管受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或者政策等因素影響，美俄航天強(qiáng)國空間核動力技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)坎坷，但一直將空間核動力視為航天戰(zhàn)略發(fā)展方向進(jìn)行長期投入和探索。數(shù)十年來，美俄通過多個研發(fā)計劃逐步提高單項(xiàng)技術(shù)水平，并已積累了較為豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。未來，空間核動力技術(shù)可突破現(xiàn)有太陽能和化學(xué)能的極限，給人類空間探測范圍和能力帶來突破，是航天強(qiáng)國著力競爭發(fā)展的領(lǐng)域。

2 未來空間核動力需求分析

2.1 軌道物質(zhì)運(yùn)輸

未來我國將建設(shè)載人空間站、大型高價值地球同步軌道衛(wèi)星、在軌維護(hù)綜合服務(wù)站、太陽能電站等大型/超大型空間基礎(chǔ)設(shè)施，涉及大質(zhì)量物質(zhì)軌道間的高效運(yùn)輸問題。傳統(tǒng)貨運(yùn)飛船直接向高軌運(yùn)送貨物，需要攜帶質(zhì)量占比40%以上的化學(xué)推進(jìn)劑，采用100 kWe～1 MWe 功率量級的核電推進(jìn)軌道運(yùn)輸器實(shí)施運(yùn)輸，可降低成本30%以上，大幅提高了大型空間設(shè)施建設(shè)和維護(hù)效益。

2.2 深空軌道轉(zhuǎn)移

未來月球/火星探測與開發(fā)，涉及人員與貨物運(yùn)輸、地外資源物質(zhì)返回等任務(wù)，對軌道運(yùn)輸提出了高效與快速的要求。其中，物質(zhì)運(yùn)輸可采用較長運(yùn)輸時間的100 kWe～1 MWe 功率量級核電推進(jìn)方案，人員運(yùn)輸可采用較短運(yùn)輸時間的300 MWt 熱功率量級的核熱推進(jìn)方案。美國NASA 曾對載人火星探測任務(wù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在相同的飛行時間和等效速度增量下，化學(xué)推進(jìn)、核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)的有效載荷比分別為17.5%、37.7%、47.6%，采用核推進(jìn)能夠顯著提高任務(wù)有效載荷比，從而提高任務(wù)經(jīng)濟(jì)性和效能。

2.3 外太陽系和太陽系邊界空間探測

木星以外的太陽系探測任務(wù)，特別是太陽系邊界，甚至更遠(yuǎn)深空的探測，已無法采用太陽能，必須采用核電源或核推進(jìn)。雖然探測器配置功率只需0.3～10 kWe，但是航天器運(yùn)行時間壽命需要20～40 a?；瘜W(xué)推進(jìn)結(jié)合同位素電源，或者核反應(yīng)堆電源結(jié)合電推進(jìn)方案是目前最佳選擇，可滿足行星際探測任務(wù)對速度增量及儀器設(shè)備功率的需求。

2.4 空間通信與數(shù)據(jù)處理平臺供能

空間核動力航天器具有較大的電功率，部署于地球同步軌道的核動力平臺可以作為全球空間通信系統(tǒng)和天基數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用50～100 kWe 量級功率可助力獨(dú)立的全球空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?？臻g通信系統(tǒng)可以用于移動通信數(shù)據(jù)交換、全球高速寬帶數(shù)據(jù)交換、數(shù)字無線廣播與中繼等多領(lǐng)域，可服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2.5 星表基地建設(shè)與資源開發(fā)

在地球以外的星體建立科考基地并進(jìn)行資源開發(fā)利用是未來探索空間、發(fā)展太空經(jīng)濟(jì)的重要方向。受晝夜交替、距離過遠(yuǎn)、沙塵暴等影響，太陽能的利用將會受到限制。核反應(yīng)堆電源可實(shí)現(xiàn)不依賴太陽光供給能量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可為月球、火星等基地建設(shè)與地外空間資源開發(fā)利用，提供理想的能源，所需電功率在10～100 kWe 量級。

2.6 空間碎片與垃圾清理

空間垃圾和碎片可造成航天器結(jié)構(gòu)損壞、關(guān)鍵部件失效等，導(dǎo)致其不能正常完成航天任務(wù)。尤其在GEO 軌道上，有數(shù)百個包括不工作的廢棄航天器在內(nèi)的空間垃圾，嚴(yán)重侵占著地球同步軌道資源，使得GEO 軌位及其頻率資源幾乎耗盡。鑒于GEO軌位資源的稀缺性，清理一個GEO 廢棄航天器可帶來數(shù)千萬美元的經(jīng)濟(jì)效益。使用100 kWe～1 MWe功率量級核動力航天器可在高軌附近持續(xù)作業(yè)，作為太空拖船實(shí)施垃圾清除任務(wù)，每年可清除數(shù)十個不同尺度垃圾，大幅降低航天器在軌運(yùn)行風(fēng)險，并凈化空間運(yùn)行環(huán)境。

2.7 小行星等危險天體防御

小行星防御的措施有多種，其中的重力牽引機(jī)概念基于萬有引力原理，通過利用自身質(zhì)量對小行星產(chǎn)生影響，使其改變運(yùn)行軌跡。核動力航天器作為重力牽引機(jī)，通過提前與小行星接近并伴飛可用于改變小行星既定軌跡。初步分析表明：對于直徑300 m 左右、質(zhì)量1 t 量級的小行星，質(zhì)量20 t 的1 MWe 功率量級核動力航天器與小行星間隔300 m距離，保持40 d 左右，利用飛行器的重力作用改變小行星軌道，可使小行星與地球的最近距離增加到100 萬km 以上，從而降低其與地球相撞的風(fēng)險。

3 空間堆電源技術(shù)體制選擇分析

空間堆電源要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，必須滿足在空間環(huán)境下特定任務(wù)的使用要求。通常意義上，空間堆電源應(yīng)采用熱電轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量比功率小、可長壽命工作、少（或無）運(yùn)動部件、系統(tǒng)安全性好、可靠性高、無需維護(hù)的系統(tǒng)方案。這里依據(jù)“性能優(yōu)異、系統(tǒng)可靠、使用方便、經(jīng)濟(jì)可行”4 大類準(zhǔn)則，對空間堆電源的技術(shù)體制進(jìn)行選擇。4 大類準(zhǔn)則可進(jìn)一步分解為一系列技術(shù)要求和技術(shù)指標(biāo)的集合見表1。盡管技術(shù)體制選擇時，很難滿足所有的準(zhǔn)則、要求和指標(biāo)，但應(yīng)在設(shè)計初期進(jìn)行折衷優(yōu)選?？臻g堆電源技術(shù)體制具體由核反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻、熱電轉(zhuǎn)換方式、排散熱方式的技術(shù)體制決定，如圖6 所示。

表1 空間堆電源技術(shù)體制選擇依據(jù)——準(zhǔn)則、要求和指標(biāo)集Tab.1 Selection basis of space nuclear power—principle，requirement and index

3.1 熱電轉(zhuǎn)換和反應(yīng)堆冷卻技術(shù)體制選擇

將功率范圍、熱電轉(zhuǎn)換效率、質(zhì)量比功率、使用特性分析、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性作為選擇總體技術(shù)體制的主導(dǎo)因素，結(jié)合前面對圖5 分析，大功率空間堆電源系統(tǒng)總體方案的最佳選擇為動態(tài)“布雷頓循環(huán)”體制，小功率空間堆電源系統(tǒng)的最佳選擇為“分段熱電子”體制。具體分析見表2。

3.2 核反應(yīng)堆技術(shù)體制

反應(yīng)堆能譜：空間堆應(yīng)該最大限度減輕質(zhì)量與體積，并在無維護(hù)（無燃料更換）條件下實(shí)現(xiàn)長工作壽命要求。熱中子堆雖然所需235U 少，但燃料利用率不高，只適用于低功率的空間任務(wù)，堆芯還需要中子慢化劑，增加了質(zhì)量?？熘凶幼V需235U 多，但適用于長壽期、高功率空間任務(wù)，其結(jié)構(gòu)緊湊，簡化了反應(yīng)堆物理設(shè)計，缺點(diǎn)是中子通量更高，使得堆內(nèi)部組件受到更強(qiáng)的中子輻照，對材料適用性、屏蔽防護(hù)提出了更高要求。這里大功率方案則主選95%以上富集度235U 的快堆，而小功率方案可選快堆，也可選熱堆。

圖6 空間堆電源技術(shù)體制分類Fig.6 Classification of space nuclear reactor power

表2 空間堆電源熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)體制選擇過程Tab.2 Selection of energy conversion for space nuclear reactor power

核燃料組件：目前國內(nèi)外主要可選的燃料組件有二元陶瓷燃料UO2、UC（UC2）、UN 和多元復(fù)雜“碳氮-高溫金屬-鈾化物”UxZr1ˉxC1ˉyNy，鈾合金U10Mo、UZr、UZrH 和金屬陶瓷Cermet 燃料。燃料組件選擇主要考慮其物理特性，高溫和輻照條件下，燃料的腫脹和裂變氣體釋放，對結(jié)構(gòu)和熱電轉(zhuǎn)換的影響，以及燃料熱穩(wěn)定性和壽命期工作穩(wěn)定性。經(jīng)過綜合比較，二元陶瓷燃料中UN 具有較高燃料密度、較高熔點(diǎn)、適度熱導(dǎo)率、較小輻照腫脹和較低裂變氣體釋放量等優(yōu)點(diǎn)[1]，是大功率方案的優(yōu)選燃料，其缺點(diǎn)是國內(nèi)外積累的考核數(shù)據(jù)較少，替代方案是采用成熟的UO2見表3。對于小功率方案，可選擇技術(shù)相對成熟的鈾鉬合金U10Mo燃料。

表3 核燃料組件主要物理特性Tab.3 Physical property of nuclear fuel

3.3 材料技術(shù)體制

核反應(yīng)堆功能材料：中子反射材料可采用具有充分?jǐn)?shù)據(jù)支撐的Be 和BeO；中子吸收材料可采用的B4C。屏蔽材料需要分別針對高能中子和伽瑪射線進(jìn)行屏蔽，經(jīng)過陰影屏蔽層后，實(shí)現(xiàn)中子劑量小于1011～1012n/cm2和伽瑪射線劑量小于25 K～1 M Rad-Si[11]。中子屏蔽可采用輕元素材料LiH和含B4C 復(fù)合材料，伽瑪射線屏蔽采用重元素貧鈾（238U）和W、Ta 等材料。

核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料：燃料組件包殼需要采用高溫耐輻射結(jié)構(gòu)材料，目前針對2 000 K 左右溫區(qū)可選的材料包括MoNbZr、Nb1Zr、Mo-Re 合金；反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)殼體和載熱介質(zhì)輸出管道，可采用ODS 鋼和其他高溫鎳基合金。這些材料依據(jù)使用溫區(qū)和輻照環(huán)境，均應(yīng)得到相應(yīng)輻照試驗(yàn)的驗(yàn)證。

熱電轉(zhuǎn)換核心材料：布雷頓循環(huán)核心材料是渦輪葉片材料，需采用耐高溫、抗蠕變合金材料或復(fù)合材料，需要根據(jù)工作壽命、渦輪設(shè)計方案和葉片材料水平合理選擇葉片工作溫度（1 200～1 300 K）。目前，國內(nèi)可選材料為航天發(fā)動機(jī)鎳基單晶高溫合金DD6、DD9等，以及碳化硅陶瓷材料，陶瓷材料需解決成型與處理困難問題。所有這些渦輪材料需要工作環(huán)境下，考核其環(huán)境和壽命適應(yīng)性。分段熱電子核心材料是溫差發(fā)電材料，傳統(tǒng)方案采用Si-Ge 材料，其效率較低（效率低于6%左右），先進(jìn)材料方案是基于方鈷礦，以材料CoSb3、La3ˉxTe4、CeFe4ˉxRuSb12、YbMnSb11組 合，熱電轉(zhuǎn)換效率為10%～15%[13]，如圖7所示。

3.4 排散熱技術(shù)體制

大功率布雷頓方案：空間排散熱只能通過熱輻射形式，排散熱采用第二回路實(shí)現(xiàn)散熱，核心指標(biāo)是散熱溫區(qū)選擇，溫度高、輻射散熱器面積和質(zhì)量可減少，反之則散熱器面積和質(zhì)量增加?？蛇x的排散熱方案包括“泵驅(qū)流體回路+熱管+輻射板”和“泵驅(qū)流體回路+液滴冷卻”。前者流體可選擇去離子水，管道可選擇鈦合金，輻射散熱板可選擇CˉC 復(fù)合材料或基于石墨烯的高導(dǎo)熱、高輻射系數(shù)材料；后者流體可選擇高表面張力和輻射特性的硅油，管道同樣可選鈦合金，需要研發(fā)液滴霧化器和收集器[3]。

圖7 分段式熱電子典型方案Fig.7 Illustration of segmented thermoelectric scheme

小功率熱電子方案：小功率分段熱電子方案，將熱量從反應(yīng)堆中載出，可采用堿金屬（Li、Na、K）高溫?zé)峁埽鞣N堿金屬特性見表4[1]。每根熱管各自成為一個獨(dú)立的熱傳導(dǎo)回路，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、避免單點(diǎn)故障，無電磁泵具有非能動安全性，有助于停堆后的余熱排出，且無需專門解凍，密封要求較低，但是受傳熱效率的限制，只適用低功率堆型（＜10 kWe）、需要研制長工作壽命的高溫?zé)峁?。對于更小功率堆型（? kWe），甚至可以采用高溫、輕質(zhì)、高導(dǎo)熱材料，直接通過導(dǎo)熱方式載出熱量，散熱低溫段，可通過低溫?zé)峁苓B接散熱器，實(shí)現(xiàn)輻射散熱，缺點(diǎn)是質(zhì)量較大，或者采用熱光伏方案[13-14]。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

空間核動力航天器系統(tǒng)深度融合了航天與核能兩大領(lǐng)域，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)航天器，系統(tǒng)設(shè)計涉及核物理、輻射安全、力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、信息、控制、材料等學(xué)科，需突破多方面關(guān)鍵技術(shù)，以逐步實(shí)現(xiàn)新型復(fù)雜航天器系統(tǒng)的工程應(yīng)用，涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

4.1 小型安全可靠空間核反應(yīng)堆技術(shù)

空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)應(yīng)盡可能小型化和輕量化，以滿足航天任務(wù)對尺寸和質(zhì)量的約束。為保證航天器長期穩(wěn)定的能源供給，反應(yīng)堆系統(tǒng)還應(yīng)具有極佳的安全特性和自主運(yùn)行能力（包括一定程度的容錯與自修復(fù)能力），堆芯的合理設(shè)計涉及中子物理、熱工水力、安全防護(hù)的仿真與驗(yàn)證。此外，還包括核燃料組件、反射層/吸收層/屏蔽層材料、包殼、結(jié)構(gòu)材料在內(nèi)的制備與高溫抗輻照驗(yàn)證等也是需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 高效緊湊熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

采用閉式高溫氣冷布雷頓熱電轉(zhuǎn)換的大功率核電源系統(tǒng)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有長壽命氣浮軸承、高溫渦輪抗蠕變材料與驗(yàn)證、力矩補(bǔ)償與減震設(shè)計、密封技術(shù)、高速發(fā)電機(jī)技術(shù)、高效率壓氣機(jī)、高效傳熱回?zé)崞鞯取２捎梅侄问綗犭娮愚D(zhuǎn)換的小功率核電源系統(tǒng)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有高效半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料抗輻照驗(yàn)證等。

4.3 高效輕質(zhì)空間輻射散熱技術(shù)

排散熱分系統(tǒng)是核動力航天器尺寸最大的部件，其基本單元是由流體回路、驅(qū)動泵、熱管、散熱面板等組成。關(guān)鍵技術(shù)涉及輕質(zhì)熱管、高輻射性復(fù)合材料面板、流體回路可折疊柔性管路、長壽命驅(qū)動泵和緊湊型冷卻換熱器等，前沿先進(jìn)技術(shù)涉及液滴式散熱技術(shù)。

4.4 長距離大承載伸展機(jī)構(gòu)技術(shù)

核動力航天器發(fā)射時處于收攏狀態(tài)，在軌運(yùn)行時需通過伸展機(jī)構(gòu)展開，將反應(yīng)堆與航天器載荷隔開至一定的安全距離，降低輻射影響，同時支撐散熱器面板展開工作。伸展機(jī)構(gòu)既要保證足夠的展開距離，又要保證可靠的結(jié)構(gòu)剛性連接和管路、電氣的連接，同時符合航天器控制要求。系統(tǒng)主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括大型高可靠性伸展機(jī)構(gòu)展開技術(shù)、可靠鎖定與剛性保持技術(shù)、管路與電氣可靠性連接密封技術(shù)等。

4.5 大功率電源管理與長距離傳輸技術(shù)

電源調(diào)節(jié)與管理系統(tǒng)需要對電能進(jìn)行集中管理，將電能從熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)長距離傳輸并分配給電推進(jìn)系統(tǒng)、儀器設(shè)備及其他有效載荷。對于大功率核動力航天器，由于熱電轉(zhuǎn)換裝置輸出的是高壓、高頻特性的交流電，電源管理系統(tǒng)需將交流電轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的直流母線輸出并為負(fù)載供電，并需考慮起動/變工況/關(guān)機(jī)一系列過程的控制問題，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括超高壓大變比寬輸出功率變換、高效高壓大功率交/直流變換、交流發(fā)電機(jī)變頻調(diào)壓、升降功率調(diào)節(jié)策略、超大功率低損耗傳輸?shù)取?/p>

表4 3 種堿金屬熱物理性質(zhì)Tab.4 Physical property of three alkali metals

4.6 啞鈴型大撓性航天器姿態(tài)控制技術(shù)

核動力航天器整體尺寸和質(zhì)量大，且質(zhì)量主要集中于航天器兩端，呈“啞鈴”形構(gòu)型，具有大跨度、大撓性的特點(diǎn)。航天任務(wù)中由姿態(tài)機(jī)動、環(huán)境力矩和對接沖擊等引起的振動很難消除，且容易與姿態(tài)控制形成耦合。對于該類大跨度大撓性航天器，振動抑制和姿態(tài)控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.7 大功率高效電推進(jìn)技術(shù)

長周期的空間任務(wù)特點(diǎn)要求電推進(jìn)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，且具有較高的功率、推力和較小的尺寸、質(zhì)量。對于未來大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，需要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括高可靠設(shè)計技術(shù)、高比沖推力器技術(shù)、磁路位型優(yōu)化技術(shù)、大功率推力器熱設(shè)計技術(shù)、特高壓大功率電源處理單元技術(shù)、大功率推力器長壽命設(shè)計與地面驗(yàn)證技術(shù)等。

5 結(jié)論

1）航天推進(jìn)與能源動力技術(shù)采用傳統(tǒng)的化學(xué)能、太陽能已達(dá)到極限能力水平，基于空間核反應(yīng)堆的核動力是突破這種發(fā)展極限的最有潛力和價值的能源形式，其發(fā)展需要航天與核能兩大領(lǐng)域的大力協(xié)同。建議我國空間核動力技術(shù)發(fā)展遵循3 個先后關(guān)系，“先小功率、后大功率”“先電源、后推進(jìn)”“先核電推進(jìn)、后核熱推進(jìn)”。

2）基于空間核反應(yīng)堆電源可為航天器載荷和電推進(jìn)系統(tǒng)提供充足電能，適用于難以獲取太陽能或?qū)﹄姽β市枨筝^大的空間任務(wù)。若空間堆核電源輸出功率為100 kWe～1 MWe 范圍，并統(tǒng)一技術(shù)體制，建議發(fā)展“高溫氣冷快堆閉式布雷頓循環(huán)”技術(shù)體制；若功率為1～10 kWe 范圍，同時實(shí)現(xiàn)25 a 以上長壽命工作需求，建議發(fā)展分段熱電子（高效溫差熱電偶）技術(shù)體制，或者先進(jìn)的熱光伏技術(shù)體制。

3）基于核能的小推力（牛頓量級）高性能（比沖5 000～10 000 s）電推進(jìn)技術(shù)和高性能核熱推進(jìn)技術(shù)（比沖1 000 s 量級）是未來推進(jìn)領(lǐng)域需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

4）空間核動力技術(shù)涉及多方面的研究難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，具有研究難度大、研發(fā)周期長、資金投入大的特點(diǎn)，需在國家頂層牽引下，聯(lián)合國內(nèi)航天與核工業(yè)優(yōu)勢單位，循序漸進(jìn)開展方案論證、技術(shù)攻關(guān)、地面試驗(yàn)和飛行驗(yàn)證，逐步提高空間核能應(yīng)用技術(shù)成熟度，為未來航天任務(wù)提供有力支撐。