深空探測(cè)核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展

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1、深空探測(cè)核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展李文峰，張?zhí)炱教m州物理研究所甘肅省蘭州市94號(hào)信箱730000摘要核電推進(jìn)系統(tǒng)即把核裂變、核聚變、放射性同位素衰變、反物質(zhì)湮滅等過程產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)化為電能并提供給電推力器以產(chǎn)生推力的系統(tǒng)。核電推進(jìn)為低推力高比沖推進(jìn)，核反應(yīng)堆、放射性同位素發(fā)電機(jī)的高功率密度特性和電推進(jìn)的高效率特性組合，使得核電推進(jìn)技術(shù)正在成為人類進(jìn)行更有效深空探測(cè)的支撐技術(shù)。本文在調(diào)研國(guó)外核電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和空間系統(tǒng)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，從核電推進(jìn)的基本概念、放射性同位素電推進(jìn)技術(shù)、核裂變反應(yīng)堆電推進(jìn)技術(shù)等方面系統(tǒng)介紹了核電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷史、技

2、術(shù)現(xiàn)狀和未來應(yīng)用等情況，并簡(jiǎn)要展望了我國(guó)發(fā)展核電推進(jìn)技術(shù)的前景。關(guān)鍵詞核電推進(jìn)技術(shù)，深空探測(cè)，放射性同位素，核裂變反應(yīng)堆1引言深空探測(cè)的主要?jiǎng)恿Πㄌ?yáng)系的形成和生命的起源問題，深空探測(cè)對(duì)推進(jìn)的要求包括具有輸送不斷增加載荷到更遠(yuǎn)距離的能力，縮短輸運(yùn)周期，發(fā)射不依賴行星位置狀態(tài)、在目的地或多個(gè)目的地完成機(jī)動(dòng)性能。而事實(shí)上，太陽(yáng)系外行星和火星表面探測(cè)歷來受制于能源缺乏問題，傳統(tǒng)長(zhǎng)壽命航天器的能源供應(yīng)采用太陽(yáng)能技術(shù)，隨著航天器離開太陽(yáng)距離的增加，這一能源的效率快速降低。同時(shí)，外行星的遙遠(yuǎn)距離使得探測(cè)航天器的使命周期長(zhǎng)達(dá)10年以上，更

3、高能量的運(yùn)載器雖然可以縮短旅途時(shí)間，但費(fèi)用昂貴、效率低下，對(duì)有些遙遠(yuǎn)外行星的軌道環(huán)繞觀測(cè)，如果沒有更加有效的方法，根本無法實(shí)現(xiàn)。核能是人類已知的具有最高可利用能量密度的能源，產(chǎn)生核能源的方式包括放射性同位素衰變、核裂變反應(yīng)、核聚變反應(yīng)、反物質(zhì)湮滅等四種，在空間運(yùn)輸系統(tǒng)中利用這些核能源以形成航天器推進(jìn)能力的方式包括核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)、核爆炸推進(jìn)等，其中基于放射性衰變和核反應(yīng)堆的核熱和核電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)具備了較高的技術(shù)發(fā)展水平。核電推進(jìn)系統(tǒng)把核裂變、核聚變、放射性同位素衰變、反物質(zhì)湮滅等過程產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)化為電能并提供給電推進(jìn)系統(tǒng)，相對(duì)

4、核熱或化學(xué)類型的高推力低效率推進(jìn)，核電推進(jìn)為低推力高比沖推進(jìn)，核反應(yīng)堆、放射性同位素發(fā)電機(jī)的高功率密度特性和電推進(jìn)的高效率特性組合，使得核電推進(jìn)應(yīng)用星際距離使命具有顯著優(yōu)勢(shì)，基于核裂變反應(yīng)堆的核電推進(jìn)技術(shù)正在成為人類進(jìn)行更有效深空探測(cè)的支撐技術(shù)。2深空探測(cè)與核電推進(jìn)2.1核電推進(jìn)系統(tǒng)概況核電推進(jìn)系統(tǒng)的本質(zhì)是核能源系統(tǒng)與電推進(jìn)系統(tǒng)的有機(jī)組合，也就是利用核能驅(qū)動(dòng)電推進(jìn)工作的系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)是間接的，因?yàn)樾枰M(jìn)行核能與電能的轉(zhuǎn)換過程，圖一為核電推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成框圖。圖一核電推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成核電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生核能的基本形式有四類：放射

5、性衰變核能、裂變反應(yīng)核能、聚變反應(yīng)核能、反物質(zhì)湮滅核能，目前的技術(shù)發(fā)展主要集中在前兩類。四種產(chǎn)生核能方法的典型例子分別為：核電推進(jìn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式的選擇有靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)之分，靜態(tài)包括熱電、熱離子和熱光電等，產(chǎn)生直流電，動(dòng)態(tài)包括Rankine循環(huán)、Brayton循環(huán)和Stirling循環(huán)等，產(chǎn)生交流電，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方式的效率要比靜態(tài)方式高。核電推進(jìn)系統(tǒng)的電推進(jìn)類型包括離子電推進(jìn)、霍耳電推進(jìn)、磁等離子動(dòng)力電推進(jìn)、可變比沖磁等離子體電推進(jìn)、脈沖感應(yīng)電推進(jìn)、脈沖等離子體電推進(jìn)、場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)、膠體電推進(jìn)等。2.2深空探測(cè)對(duì)核電推進(jìn)的需求圖二

6、左邊所示為各種主要推進(jìn)系統(tǒng)的功率水平和工作周期情況，右邊所示為太陽(yáng)系各大行星離太陽(yáng)距離和太陽(yáng)光強(qiáng)度變化情況，基于核裂變反應(yīng)堆和放射性同位素能源的空間推進(jìn)系統(tǒng)以它們獨(dú)特的空間應(yīng)用性能優(yōu)勢(shì)，正在受到越來越多的重視。分析表明，核電推進(jìn)能夠顯著增加有效載荷、降低發(fā)生運(yùn)載需求，對(duì)有些外行星使命還可以縮短旅途時(shí)間。例如，核能轉(zhuǎn)化為電能，可以省去航天器的太陽(yáng)翼，因?yàn)閷?duì)木星以外行星的探測(cè)航天器，太陽(yáng)翼的尺寸需求將大到不合實(shí)際的程度；又如，核能可以為火星表面任意位置的探測(cè)器提供電能和熱能，而太陽(yáng)陣能源僅在火星赤道和低緯度區(qū)有效?？傊畞碚f，核能源

7、能夠極大促進(jìn)對(duì)太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)區(qū)域的多目標(biāo)探測(cè)，核能源和核推進(jìn)也是未來火星載人使命的需求技術(shù)。圖二核電推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成深空探測(cè)航天器應(yīng)用核裂變反應(yīng)堆和放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：1）可以連續(xù)工作而不依賴太陽(yáng)方位和距離。對(duì)深空探測(cè)來說具有充足能源始終是本質(zhì)性的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)外行星探測(cè)使命而言，由于太陽(yáng)能量密度的嚴(yán)重下降，太陽(yáng)電池和太陽(yáng)動(dòng)力變得不現(xiàn)實(shí)，核動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)是目前最好的選擇。2）在太陽(yáng)功率密度很小或太陽(yáng)動(dòng)力不連續(xù)的場(chǎng)合提供動(dòng)力。地球陰影環(huán)境和極區(qū)使命因?yàn)槟芰慨a(chǎn)生和貯存問題而變得困難，月球兩極坑、火星高緯度區(qū)太陽(yáng)能技

8、術(shù)無法應(yīng)用，核電動(dòng)力可以擺脫這些束縛或限制。3）長(zhǎng)期工作（幾年到十年）在數(shù)毫瓦到數(shù)百千瓦功率。圖三為太陽(yáng)系外行星探索需要的使命周期與速度增量及推進(jìn)功率之間的關(guān)系，可見化學(xué)和太陽(yáng)電推進(jìn)最多只能實(shí)現(xiàn)木星的飛過而不能實(shí)現(xiàn)軌道環(huán)繞，而75～250千瓦電功率的核裂變電推進(jìn)系統(tǒng)，基本可以