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        美國空間核動力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展分析

        2021-11-12 11:25:26駱成棟羅雨微楊偉杰張璐程磊
        國際太空 2021年6期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        駱成棟 羅雨微 楊偉杰 張璐 程磊

        (1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 2北京空間科技信息研究所 3中國空間技術(shù)研究院發(fā)展計(jì)劃部)

        隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,世界各航天大國均加快了遠(yuǎn)距離航天任務(wù)的規(guī)劃與部署,這些航天任務(wù)航行距離遠(yuǎn)、持續(xù)時(shí)間長,所處空間環(huán)境惡劣,需要使用空間核動力供電系統(tǒng)??臻g核動力斯特林電源系統(tǒng)是一種采用動態(tài)斯特林熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的核動力電源系統(tǒng),主要由核熱源、活塞式斯特林發(fā)電器和控制器等部件組成,具有長壽命、高功率、高熱電轉(zhuǎn)換效率、組合方式靈活等優(yōu)點(diǎn),在深空探測、星表登陸等航天任務(wù)的供電需求中具有較高的發(fā)展?jié)摿透偁幜?。目前,僅美國開展過大量的空間核動力斯特林電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)研究工作,其最早的研發(fā)工作可追溯到20世紀(jì)70年代,已取得大量的階段性成果。

        1 美國空間核動力斯特林電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)現(xiàn)狀

        美國先后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、發(fā)電器、控制器以及核熱源等技術(shù)研發(fā)上有較大投入。其中,整體系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)活動以美國國家航空航天局(NASA)、美國國防部(DOD)和美國能源部(DOE)主導(dǎo)技術(shù)研發(fā)布局,NASA格倫研究中心(GRC)、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、美國碟式斯特林光熱電源技術(shù)公司(Infinia)、洛馬公司(LM)等政府科研單位和企業(yè)聯(lián)合參與系統(tǒng)部件、材料、斯特林發(fā)電器單機(jī)等的技術(shù)研發(fā)與驗(yàn)證工作。

        系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)靈活多樣

        目前,美國在該系統(tǒng)技術(shù)研究領(lǐng)域已占據(jù)主導(dǎo)地位。NASA GRC早在1989年就對放射性同位素自由活塞式斯特林電源空間應(yīng)用可行性進(jìn)行過論證。經(jīng)過50多年的發(fā)展,美國的空間核動力斯特林電源系統(tǒng)基本技術(shù)方案已經(jīng)明確,先后發(fā)展出六代系統(tǒng)技術(shù)方案,包括“鋰?yán)鋮s核反應(yīng)堆斯特林電源”系統(tǒng)、斯特林放射性同位素電源-110(SRG-110)系統(tǒng)、“先進(jìn)斯特林放射性同位素電源”(ASRG)系統(tǒng)、“裂變表面能”(FSP)系統(tǒng)、“模塊式斯特林放射性同位素電源”(MSRG)系統(tǒng)概念與SRG系列概念、以及“使用斯特林技術(shù)的千瓦反應(yīng)堆”(KRUSTY)系統(tǒng)和“裂變動力系統(tǒng)”(FPS)。按照具體的設(shè)計(jì)方案計(jì)算,現(xiàn)有的系統(tǒng)單機(jī)設(shè)計(jì)方案多達(dá)20余種,構(gòu)型多樣化,供電水平靈活。

        美國僅對SRG-110和ASRG兩代采用放射性同位素?zé)嵩吹南到y(tǒng)方案進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)整機(jī)制造,試驗(yàn)樣機(jī)均為百瓦級,系統(tǒng)效率最高可達(dá)30%,已開展大量地面試驗(yàn)。其他技術(shù)方案均停留在概念設(shè)計(jì)和技術(shù)論證階段,采用放射性同位素?zé)嵩吹南到y(tǒng)方案最高供電水平將近500W,采用核裂變熱源的系統(tǒng)方案單機(jī)最高供電水平高達(dá)40kW。

        發(fā)電器技術(shù)基礎(chǔ)雄厚

        由斯特林發(fā)動機(jī)和直線交流發(fā)電機(jī)組成的斯特林發(fā)電器是空間核動力斯特林電源系統(tǒng)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換單元。美國的空間核動力系統(tǒng)采用斯特林發(fā)電器的技術(shù)基礎(chǔ)十分雄厚。自20世紀(jì)80年代起,美國機(jī)械技術(shù)公司(MTI)、太陽能源公司(SunPower)和能量公司(Qnergy)等技術(shù)企業(yè),曾先后為美國的各類空間核動力斯特林電源系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、制造、購買和考慮過至少9種空間專用或商用斯特林發(fā)電器,主要機(jī)型包括空間電源演示發(fā)動機(jī)(SPDE)、部件試驗(yàn)電源發(fā)電器(CTPC)、技術(shù)演示轉(zhuǎn)換器(TDC)、EE-35、先進(jìn)斯特林發(fā)電器(ASC)、P2A、能量轉(zhuǎn)換單元(PCU)、QB-3500和QB-7500斯特林發(fā)電器,額定功率范圍為35W~12.5kW,效率最高可達(dá)38%。這些發(fā)電器的整體技術(shù)水平較為成熟,為美國開展后續(xù)空間斯特林發(fā)電器的研發(fā)積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

        控制器技術(shù)趨于完善

        空間核動力斯特林電源系統(tǒng)中的斯特林發(fā)電器需要控制器來維持穩(wěn)定運(yùn)行。在每個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán)中,必需調(diào)節(jié)負(fù)載來平衡所產(chǎn)生的功率。空間核動力斯特林電源系統(tǒng)對控制器要求較高,美國的控制器開發(fā)工作主要集中在NASA GRC、洛馬公司和約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)進(jìn)行。2003年以來,美國先后為空間核動力斯特林電源系統(tǒng)開發(fā)了5種模擬和數(shù)字斯特林電源系統(tǒng)控制器,并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn),包括模擬齊納二極管控制器(ZDC)、模擬直線交流調(diào)節(jié)器(LAR)、數(shù)字單發(fā)電器控制器(SCC)、數(shù)字雙發(fā)電器控制器(DCC)、數(shù)字工程開發(fā)單元(EDU),以及先進(jìn)斯特林發(fā)電器控制單元(ACU),最高控制發(fā)電器數(shù)量為2臺。

        核熱源技術(shù)穩(wěn)步提升

        目前,美國設(shè)計(jì)的適用于斯特林電源系統(tǒng)的核熱源主要有衰變形式的放射性同位素?zé)嵩春土炎冃问降暮朔磻?yīng)堆熱源兩類。

        放射性同位素電源研發(fā)過程中開發(fā)的通用熱源(GPHS)最初是為放射性同位素電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種模塊化同位素?zé)嵩?,已在多?xiàng)深空探測任務(wù)中得到實(shí)際空間飛行應(yīng)用,技術(shù)較為成熟,具有通用性高、靈活性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn),單個(gè)GPHS模塊的熱功率為250W,可根據(jù)需要進(jìn)行模塊化配置。

        2012年,美國在千瓦級電源計(jì)劃(Kilopower)下,為空間核動力斯特林電源系統(tǒng)研制出了1kW版本的高濃縮塊堆,并制作了原型樣機(jī),目前仍處在地面驗(yàn)證和完善階段,反應(yīng)堆堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成,具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

        2 美國空間核動力斯特林電源核心技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

        當(dāng)前,美國的空間核動力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,其核心技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)如下4個(gè)特點(diǎn)。

        模塊化與組合化技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出功率和部件靈活配置

        目前,美國的空間核動力斯特林電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制實(shí)現(xiàn)模塊化和組合化,可通過調(diào)配電源本身模塊數(shù)量、斯特林發(fā)電器數(shù)量,以及熱源模塊數(shù)量來滿足不同的功率需求。此外,模塊化技術(shù)可以提升系統(tǒng)可靠性與容錯(cuò)性,降低大功率系統(tǒng)開發(fā)難度。

        首先,在熱源方面,美國20世紀(jì)90年代開發(fā)的模塊化GPHS熱源可根據(jù)需要進(jìn)行模塊化配置,調(diào)整電源系統(tǒng)整體電能輸出水平;美國近幾年設(shè)計(jì)的“火星設(shè)計(jì)參考體系結(jié)構(gòu)”(DRA)中提出了以4組10kW Kilopower反應(yīng)堆供熱的組合化系統(tǒng)方案,將系統(tǒng)功率提升至40kW。其次,在系統(tǒng)組合式布局上,諸如MSRG系統(tǒng)模塊化組合、KRUSTY項(xiàng)目的多樣化系統(tǒng)布局和多臺斯特林發(fā)電機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)方案,不但提高了系統(tǒng)功率水平,還提升了系統(tǒng)部件選擇靈活性。NASA也在其技術(shù)發(fā)展路線中明確表示仍將延續(xù)模塊化熱源設(shè)計(jì)和組合式斯特林發(fā)電器設(shè)計(jì)。

        新型核反應(yīng)堆熱源突破系統(tǒng)功率上限

        目前,美國致力于發(fā)展新型核裂變反應(yīng)堆熱源技術(shù),以全面提高空間核動力斯特林電源系統(tǒng)總輸出功率水平。對于空間核動力斯特林電源而言,現(xiàn)有的斯特林發(fā)電器功率水平并不低,使用組合式技術(shù)實(shí)現(xiàn)千瓦級發(fā)電能力的斯特林發(fā)電器單機(jī)機(jī)型至少有4種。但近20年來,同類系統(tǒng)整體功率水平一直維持在百瓦級??紤]到現(xiàn)有GPHS功率水平、系統(tǒng)體積和钚-238產(chǎn)量的局限,美國近年來將目光徹底轉(zhuǎn)向可行性與功率水平更高的熱管裂變反應(yīng)堆技術(shù)上,以求突破現(xiàn)有電源功率設(shè)計(jì)上限。

        美國先后研究了多種千瓦級熱管裂變反應(yīng)堆,包括“熱管式火星探測堆”(HOMER)系列、“平價(jià)裂變表面電力系統(tǒng)”(AFSPS),以及KRUSTY系列(即Kilopower系列)等,這些核反應(yīng)堆能夠提供43~175kW熱能,能組建的電源系統(tǒng)功率高達(dá)40kW,目前已搭建了1kW的KRUSTY試驗(yàn)樣機(jī),這也是有史以來結(jié)構(gòu)最簡潔的反應(yīng)堆概念之一。NASA與美國國家核安全管理局(NNSA)在2018年前后合作完成KRUSTY的地面試驗(yàn),系統(tǒng)技術(shù)成熟度在2017年達(dá)到5級(TRL 5)。未來,1~10kW的斯特林裂變電源系統(tǒng)仍是NASA發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)之一。

        創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品、提升系統(tǒng)技術(shù)成熟度與可靠性

        目前,美國已發(fā)展出的空間斯特林電源系統(tǒng)大都停留在概念設(shè)計(jì)和試驗(yàn)樣機(jī)階段。為提升現(xiàn)有系統(tǒng)技術(shù)成熟度,加速空間斯特林發(fā)電系統(tǒng)的空間飛行應(yīng)用,美國在系統(tǒng)部件級技術(shù)上不斷推出創(chuàng)新型概念和技術(shù)。

        美國認(rèn)為,雖然未來實(shí)際用于空間飛行任務(wù)的系統(tǒng)硬件可能與現(xiàn)在較為成熟的ASRG硬件有所不同,但多數(shù)組件可能是相似的,并且系統(tǒng)架構(gòu)可能會繼承ASRG的一些特點(diǎn)和技術(shù)。NASA GRC制定了斯特林循環(huán)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃(SCTDP),以發(fā)展斯特林技術(shù)中尚不成熟或成熟度較低的技術(shù)。研究任務(wù)重點(diǎn)目標(biāo)包括提高溫度能力以適應(yīng)新環(huán)境,降低電源系統(tǒng)質(zhì)量或尺寸,提高可靠性和系統(tǒng)容錯(cuò)能力,并開發(fā)替代設(shè)計(jì)。在SCTDP計(jì)劃下,NASA GRC和SunPower公司也在持續(xù)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)開發(fā)。

        同時(shí),NASA GRC資助SunPower公司面向系統(tǒng)飛行逐步完善發(fā)電器設(shè)計(jì)。已完成了6代ASC機(jī)型設(shè)計(jì),現(xiàn)有的ASC工程樣機(jī)3號(ASC-E3)技術(shù)成熟度達(dá)到6級(TRL 6),并已在GRC完成獨(dú)立驗(yàn)證和驗(yàn)證測試。該公司進(jìn)行的ASRG研究項(xiàng)目中的試驗(yàn)結(jié)果表明,其研發(fā)的斯特林發(fā)電器已經(jīng)能夠滿足航天器的發(fā)射力學(xué)環(huán)境要求。

        此外,美國也不斷開發(fā)新型發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì),SunPower公司在汲取ASC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上與洛克達(dá)因公司(Aerojet Rocketdyne)團(tuán)隊(duì)合作,嘗試開發(fā)一種新型SunPower魯棒斯特林發(fā)電器(SRSC),進(jìn)一步提升發(fā)電器魯棒性與可靠性。設(shè)計(jì)目標(biāo)為全功率連續(xù)運(yùn)行壽命20年,質(zhì)量2kg,單機(jī)發(fā)電功率63.7W,熱電轉(zhuǎn)換效率29.2%。

        優(yōu)化钚-238燃料制備能力、低功率設(shè)計(jì)為系統(tǒng)長期發(fā)展提供基礎(chǔ)

        放射性同位素钚-238是當(dāng)前空間同位素電源的最優(yōu)選擇,充足的钚-238同位素供應(yīng)是保證放射性同位素溫差電源技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但自然界中不存在钚-238,目前全球僅有俄羅斯和美國具有成規(guī)模的钚-238生產(chǎn)能力。美國在20世紀(jì)80年代曾停止了空間用钚燃料的生產(chǎn),并轉(zhuǎn)而從俄羅斯采購钚-238。為滿足任務(wù)需求,實(shí)現(xiàn)钚-238的自主可控,NASA與DOE在2011年啟動了钚-238生產(chǎn)項(xiàng)目來重建生產(chǎn)能力,計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)年均至少1.5kg的二氧化钚產(chǎn)量。但這仍無法滿足其未來航天任務(wù)燃料需求,即便是將年產(chǎn)量提升到5kg,美國航天領(lǐng)域在2025年前后仍會出現(xiàn)钚-238供應(yīng)告急的情況。為此,美國計(jì)劃從縮短生產(chǎn)材料停留時(shí)間、延長衰變時(shí)間、減少裂變產(chǎn)物庫存和放射水平、縮短生產(chǎn)處理過程,以及縮小生產(chǎn)設(shè)施占地面積等方面入手,進(jìn)一步提升生產(chǎn)能力。

        此外,美國在最近5年開始轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思路,開始研究采用放射性同位素?zé)嵩吹男⌒退固亓蛛娫聪到y(tǒng),設(shè)計(jì)提供的電功率范圍在1mW~40W。小型的空間核動力斯特林電源系統(tǒng)可以為空間科學(xué)和探索任務(wù)的探測器、著陸器、漫游探測器或通信中繼器提供電力。這樣的系統(tǒng)可以使用小型GPHS(約60W熱輸出)或輕量放射性同位素加熱器裝置(LWRHU)為航天器上傳感器和通信提供動力。目前開展的研究項(xiàng)目包括JPL的“小型放射性同位素電源系統(tǒng)”(SRPS)項(xiàng)目和GRC的“小型斯特林技術(shù)探索能力”(SmallSTEP)項(xiàng)目。

        3 空間應(yīng)用趨勢

        美國已在多項(xiàng)航天任務(wù)中考慮過空間斯特林核電源系統(tǒng)技術(shù)方案,受限于系統(tǒng)各部件技術(shù)成熟度與任務(wù)選擇問題,系統(tǒng)空間飛行遲遲未實(shí)現(xiàn)。美國相關(guān)技術(shù)部門正在積極開展裝配試驗(yàn)和發(fā)射運(yùn)行的研究工作,同時(shí)還在深入考慮未來任務(wù)的可擴(kuò)展性。

        加快落實(shí)放射性同位素電源系統(tǒng)的航天器應(yīng)用

        自2009年起,放射性同位素斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)曾被多次考慮進(jìn)行實(shí)際空間應(yīng)用,但因技術(shù)選擇等問題均錯(cuò)失至少兩次飛行機(jī)會。目前,美國正在大力推進(jìn)SRG與ASRG兩類系統(tǒng),以SRG類系統(tǒng)為代表的數(shù)十至數(shù)百千瓦級系統(tǒng)能夠滿足在近期和中期的行星科學(xué)及遠(yuǎn)距離飛行任務(wù),ASRG也可以安裝在包括軌道飛行器、著陸器、漫游巡視器以及行星際探測器等多種航天器上。盡管NASA已終止了ASRG項(xiàng)目,但其仍持續(xù)資助私營公司開發(fā)斯特林發(fā)電器技術(shù)進(jìn)行小額投資測試,預(yù)計(jì)到2028年可應(yīng)用于飛行任務(wù)。此外,NASA的“放射性同位素動力系統(tǒng)”(RPS)項(xiàng)目辦公室還曾在2015年春季起草了一份名為“S2F”的新斯特林電源飛行計(jì)劃,其關(guān)鍵目標(biāo)之一是推進(jìn)該技術(shù)在飛行中的實(shí)際演示。

        根據(jù)最新的《行星科學(xué)10年調(diào)查報(bào)告》所述,NASA一直需要RPS系統(tǒng)來進(jìn)行行星探測任務(wù)。美國的《核動力評估研究報(bào)告》(NPAS)中得出了包括肯定放射性同位素動力在21世紀(jì)30年代之前航天任務(wù)中的必要性等結(jié)論。美國相關(guān)技術(shù)部門目前正在積極開展集成試驗(yàn)和發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性的研究工作,同時(shí)還在深入考慮未來任務(wù)的可擴(kuò)展性。

        突出核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的行星表面任務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

        從長遠(yuǎn)看,發(fā)展千瓦級的核裂變反應(yīng)堆斯特林電源系統(tǒng)十分必要,此類系統(tǒng)能夠滿足NPAS報(bào)告中預(yù)測的35~40kW行星表面探測類任務(wù),以及人類探索和作戰(zhàn)任務(wù)理事會(HEOMD)任務(wù)需求。近期,NASA和DOE計(jì)劃聯(lián)合向工業(yè)界征集建議書,旨在開展“千瓦電源”項(xiàng)目的后續(xù)研究,以支持NASA遠(yuǎn)期月球和火星探索計(jì)劃的緊湊型核動力系統(tǒng),即10kW的核裂變系統(tǒng);該系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2027年可在月面部署,為月表長期活動提供電力。

        4 結(jié)論

        美國對空間核動力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)已開展了50多年的研究,發(fā)展出上至數(shù)十千瓦級,下至毫瓦級的多種系統(tǒng)功率水平設(shè)計(jì)與技術(shù)方案,并有望快速實(shí)現(xiàn)一定程度的商業(yè)化。該技術(shù)很可能會在未來30年內(nèi)逐漸走向主流,為深空探測、星表登陸等長周期航天任務(wù)提供電力。

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