| 空间核动力的发展概况 |
| | 作者: ck7543 发布日期: 2010-7-20 查看数: 376 出自: http://www.fyjs.cn | | BAIDU_CLB_singleFillSlot('11067'); - | [table=100%][tr][td]空间核动力的发展概况
1 空间核动力的分类
空间核动力包括空间核电源和核推进，用来给航天器提供电能和推进动力。空间核动力是军民两用技术，可以满足通信卫星、军用卫星、空间站、空间运输、空间 武器作战平台、深空探测、外星基地等对电能和推进的需求。
1.1 空间核电源
空间核电源分为空间核反应堆电源和放射性同位素电源。空间核反应堆电源通过静态转换或动态转换的方式把核反应堆的裂变热能转变为电能。静态转换直接把裂 变热能转变为电能，通常采用热电偶转换和热离子转换方式。动态转换先把裂变热能转变为机械能，再把机械能转变为电能，一般采用布雷顿循环、朗肯循环和斯特 林循环中的一种。放射性同位素电源分为放射性同位素电池和放射性同位素动态发电系统两种，前者采用的是热电直接转换的热电偶转换方式，后者则采用动态转换 方式。一般说来，静态转换技术难度较小，但转换效率较低；动态转换技术难度大，转换效率较高。另外，放射性同位素热源也广泛用于空间任务中。
1.2 核推进
核推进分为核热推进和核电推进。核热推进与核电推进的共同点都是以核能（例如核反应堆的裂变热能）作为推进的能源。区别之处在于，核热推进利用核反应堆 核裂变产生的热量直接加热推进工质；核电推进则是先把裂变热能转变为电能之后，再利用电能电离和加速推进工质。两者相比，核热推进的推力可以很大，比冲却 不如核电推进高；核电推进的比冲很高，但推力却比较小。
1.3 双模式（电源/推进）空间核动力系统
把空间核反应堆电源和核推进相结合，可以构成既能给航天器提供电能，又能提供推进动力的功能强大的空间核动力系统，如空间核反应堆电源/核热推进系统， 以及空间核反应堆电源/核电推进系统。
2 空间核动力的特点
2.1 空间核电源的特点
目前，航天器使用的空间电源主要有3类：化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源和核电源。化学电池结构简单，工作可靠，内阻小，工作电压平稳，适合大 电流放电，但工作寿命短，低温性能差，功率也比较小，最多到几百W。太阳能电池阵-蓄电池组联合电源技术成熟，性能可靠，工作寿命长，供电能力强，可实现 数十kW的电功率，是现在应用最为广泛的空间电源。
但是，在大功率条件下，采用太阳能电池阵
将带来一些难题：依赖光照条件，对发射窗口、轨道参数、飞行程序、飞行姿态和对日定向等均有严格限制，对航天器总体设计提出了比较苛刻的要求；大面积的太 阳能电池阵对机动飞行和低轨道飞行带来较大阻力，需要携带大量燃料进行轨道维持，同时也存在安装和展开的技术困难；展开面积大，结构复杂，难以实现高精度 和高稳定度的姿态控制；受空间碎片、陨石和外部打击面大，也容易受辐射等因素的影响，从而造成破损、性能下降或失效，生存能力差；在阴影、深空等环境下不 能工作。所以，太阳能电池阵-蓄电池组联合电源在军事航天方面没有优势，而深空探测则不能使用太阳能电池阵-蓄电池组联合电源。
放射性同位素电源（主要指热电直接转换的放射性同位素电池）功率小，寿命长，工作可靠，已广泛用于对功率需求不大的各种空间任务中。空间核反应堆电源技 术难度高，研制周期长，要考虑辐射防护和核安全等特殊问题。但空间核反应堆电源具有重要优势：易于实现大功率供电，能为航天器提供数kW至数MW的电能； 能量密度大，在高功率下，质量比功率优于太阳能电池阵-蓄电池组联合电源系统；重量轻、体积小、比面积小、阻力小、受打击面小，隐蔽性好；功率调节范围 大，具有快速提升功率的能力，机动性高；不依赖太阳辐射能，不需要对日定向，可全天时、全天候连续工作；环境适应性好，具有较强的抗空间碎片撞击能力，可 在尘埃、高温、辐射等恶劣条件下工作。空间核反应堆电源是军事航天的理想电源，是深空探测不可替代的空间电源。
2.2 核推进的特点
核热推进系统（即核火箭发动机）与液体火箭发动机很相似，主要差别在于核热推进系统利用核反应堆替代了液体火箭的燃料燃烧室，用单组分的工作介质氢替代 了液体火箭发动机的双 元液体推进剂（液体燃料和液态氧）。
从原理上分析，核热推进系统与化学火箭发动机相比具有3个优点。第1，核裂变（或核聚
变）过程中释放出来的巨大能量是化学燃烧（或 爆炸）产生的能量所不能比拟的，两者之差是
100万倍。归根结蒂，能量是推进动力的源泉。
第2，与巨大的能量释放相对应，核裂变（或核聚
变）比化学反应能获得更高的温度。高温或超高温是使工作介质达到高流速、火箭达到高比冲的决定性因素之一。第3，核热推进系统只需要一种成分的工作介质， 而不像化学火箭那样需要两种（如液体火箭）或两种成分以上（如固体火箭）的工作介质。
比冲（Is）是火箭发动机最重要的性能参数之一，也叫比推力，单位是“秒(s)”。核热推进系统的根本优势就在于可以利用分子量最小的单组分工作介质得 到最大的比冲。如果以“氢”作为工作介质，在其他因素相同的条件下，核热推进系统的比冲要比化学火箭的高出2倍多。由于比冲高，完成相同的空间飞行任务， 核热推进系统所需推进剂的质量仅为化学火箭发动机推进剂质量的1/3。而所需的任务成本不到化学火箭发动机的44％。表1给出了利用核热推进系统和化学火 箭发动机完成火星任务的计算结果。从中可以看出，与现行的化学火箭发动机相比，核热推进系统具有极大的优越性。
表1 火星往返飞行任务
参 数 化学火箭（H2/O2） 核热火箭
(固态芯)
有效载荷/t 100 100
飞行时间/a 1 1
等效速度变化/km·s-1 7.7 7.7
比冲（Is）/s 500 1000
质量比（初始/最终） 4.806 2.192
结构质量/t 25 15
推进剂质量/t 475 137
在低地轨道总的 初始质量/t
600 252
有效载荷份额/% 0.167 0.397
任务成本/亿美元 30 13
核电推进系统（核电火箭发动机）的技术基础是空间核反应堆电源和电火箭技术。核电推进系统的特点是具有极高的比冲（例如8000s）和较大的推力 （0.6～6N）。把核电推进系统用于地球卫星的位置保持、般天器的轨道转移和深空探测，可以极大地提高航天器的效能比。
3 空间核动力的发展概况
早在20世纪50年代，美国和俄罗斯（以下均含苏联）就正式开始研发空间核动力技术，主要着眼于装备军用卫星、战略弹道导弹、巡航导弹等军用目的。投入 了大量的人力、物力和财力，取得了重大成果。
3.1 美国的情况
1955年，美国制定了SNAP（System for Nuclear Auxiliary Power）计划。1961年，发
射了装备有放射性同位素电池（SNAP-3B7）的宇宙飞行器。1965年，SNAP-10A空间核反应堆电源在 Snapshot 宇宙飞船上进行了试验。SNAP-
10A 是世界上第1个空间核反应堆电源，也是美国发射使用的惟一1个空间核反应堆电源，电功率500W，在空间运行了43天。到本世纪初，美国已在25次空间任 务（例如“先驱号”、“伽利略”号、“卡西尼”号等）中使用了放射性同位素电源系统，最大的电功率达300W。
到20世纪末，美国执行过的、与研发空间核动力有关的重要计划还有：
(1)核火箭发动机研究计划（ROVER/NERVA）（1955～1973年），建造了20座全尺寸的、用于核火箭试验的固相核反应堆（包括颗粒床反应 堆），对“NERVA”核火箭进行了除飞行试验之外的多种试验。颗粒床反应堆成为上世纪80年代初期“森林之风”（Timberwind）项目、也即后来 的“空间核热推进”（SNTP）项目的基础。
(2)战略防御计划（SDI）（上世纪80年代中期至90年代初期），其中包括“SP-100”计划，即研制电功率100kW、寿命7～10年、重量3t 的热电直接转换的空间核反应堆电源，应用方向是空间武器和核电推进。1993年，SP-100系统已达到详细设计和部件验证阶段，所有与反应堆有关的可行 性问题都成功地得到解决；燃料元件的关键测试已经完成，制造工艺和性能证明是合格的；材料考验回路运行了数千小时而没有损坏，验证了传热系统材料和设计的 适用性；电磁泵的磁性试验已经完成，设计已通过最终审定；控制系统软件已经被确认；热电转换材料的研发已达到设计水平。SP-100的研究成果为“空间探 索计划”（SEI）的核电推进方案提供了强有力的技术支撑。
(3) 空间探索计划（SEI）（上世纪90年代初期），即老布什总统鼓吹的人类登陆火星计划。该计划的初步实施，明确了人类登陆火星任务的基本要求，以及满足这 些要求相应的核热推进系统所应达到的性能指标，见表2和表3。
这几个计划都没有最终完成。
表2 载人的火星探测任务要求
参 数
发射时间/a 2016
发动机开始使用时间/a 2015
系统初始质量/t 124
轨道配置/km 407
返程质量/t 40
任务周期/d ＜600
火星表面停留时间/d 30
反应堆最大辐射
人员舱可靠性 0.995
设备舱可靠性 0.975
表3 核热推进系统的设计参数
参 数
发动机的总冲力/kN 334
发动机数量/台 1
反应堆热功率/MW 1500
发动机冲力/重量比 4∶1
比冲/s 850
喷管扩展比 100∶1
推进运行时间/min 120
任务次数 1
起动循环次数 6
任务时间/d 434
从2003年起，美国开始执行所谓“普罗米修斯”（Prometheus）计划。在技术层面上该计划包括研发新一代放射性同位素电源系统、以裂变核反应 堆为基础的空间电源系统和先进的电推器、“木星冰复卫星轨道器”（JIMO-Jupter Icy MoonsObiter）3项内容。目标任务是研究带有核电推进系统的星际宇宙飞船以探测木星最大的天然卫星。美国对3种空间核反应堆电源系统进行了评 价：液态金属冷却的核反应堆、热管冷却的反应堆,以及气体直接冷却的核反应堆。这3个系统都是以高浓铀为燃料的快堆，采取动态能量转换方式。
可以说，“普罗米修斯”计划是“SNAP”计划和“ROVER/NERVA”计划的综合与继续。
3.2 俄罗斯的情况
俄罗斯虽然很早就成功研发和应用了
钋-210放射性同位素电池，但发展重点却是空间核反应堆电源和核热推进。从1961年起，俄罗斯研发了4种型号的空间核反应堆电源系 统：ROMASHKA转换器-反应堆、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。前两种为小型快 堆，热电偶直接转换；后两种为超热中子堆，热离子直接转换。从1967年开始，俄罗斯先后把31个BUK型空间核反应堆电源成功应用在宇宙飞船的海上雷达 观测上。1987年，两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源在Cosmos-1818和Cosmos-1867宇宙飞船上成功地进行了试验。俄罗斯的 TOPAZ型热离子空间核反应堆电源被认为是世界上迄今为止最先进的空间核电源。
俄罗斯研发核推进的工作始于1950年。在1965年，决定建造冲力36kN、比冲大于900s的核火箭发动机RD-0410（11B91）。为了提供 与核热推进系统实际运行工况一致的试验条件，专门建立了“IGR”高通量石墨脉冲堆、“IVG-I”实验反应堆和“IRGIT”实验性原型堆。在 “IGR”反应堆上完成了核热推进系统燃料元件的动态试验，在“IVG-1”反应堆上完成了燃料组件的寿命考验，把“IRGIT”实验性原型堆运行到 90MW的功率水平。俄罗斯在核热推进方面取得的重大成就在于，成功研制了核火箭发动机的燃料元件和燃料组件，建造出了RD-0410型核火箭发动机试验 样机，在著名《贝加尔》试验台架上完成了全尺寸核火箭发动机反应堆的几个试验系列，验证了建造核火箭发动机以及双模式（电源/推进）空间核动力系统的可行 性。
苏联解体后，俄罗斯政府在1998年发布了《俄宇航核动力发展构想》，强调要继续保持在空间核动力领域的国际领先地位，明确指出空间核动力主要用于发展 基础军事技术，满足国防军用的需要。重点技术任务是建立科学技术基础，保证在2010年前后研制出电功率为 100kW 的空间核反应堆电源。远景目标是研制电功率500kW 或者功率更高的空间核反应堆电源，以及宇宙飞船的核“运输-电源舱”（TPM：Tramsport
PowerModule）。近几年来，俄罗斯空间核动力专家一直在进行“ISTC项目No.2120”，设计双模式（电源/推进）核火箭发动机系统和双模 式核电推进系统，用于载人和载物的登陆火星的宇宙飞船。早在2003年，俄罗斯航空航天局就已经开始了“火星-XXI”研究计划。[/td][/tr] [/table]
3.3 美俄发展水平的比较
在空间核动力技术领域，美国和俄罗斯各有所长。在放射性同位素电源方面，美国领先于俄罗斯，单个电源的功率水平达到了300W左右。在空间核反应堆电源方 面，俄罗斯却遥遥领先于美国。在1991～1994年期间，美国从俄罗斯引进了6座TOPAZ-2型空间热离子核反应堆电源试验样机（不含核燃料），进行 了大量的实验研究。在此基础上设计了Space-R热离子空间核反应堆电源。Space-R系统大量吸收了俄罗斯TOPAZ-2型空间热离子核反应堆电源 的先进技术，也借鉴了美国自己在液态金属快堆和SNAP-10A空间堆方面的研究经验，是一个完整的技术设计。设计所依据的技术、材料、部件和
温度都已经得到证明。
在核热推进方面，两国的发展水平大致相当。某些参数，美国领先于俄罗斯；而另一些参数，俄罗斯领先于美国。而从比冲、氢气平均出口温度和堆芯能量释放平均 密度这3个最重要的性能参数看，俄罗斯的技术水平仍要高于美国。 | | 作者: ck7543 发布日期: 2010-7-20 | 美国NERVA 核裂变火箭发动机
 | | 作者: ck7543 发布日期: 2010-7-20 | 俄国RD-0410核裂变火箭发动机
 | | 作者: ck7543 发布日期: 2010-7-20 | 俄国核动力卫星
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