同位素電源系統(tǒng)研究進(jìn)展

康海波

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381)

近年來，隨著人類對浩瀚太空探索的步伐不斷加快，以及國防和相關(guān)公共事業(yè)對衛(wèi)星、飛船及星際探測器等航天器的需求急劇膨脹，國內(nèi)外在航天領(lǐng)域都加大了投入和研究力度，推動了航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時衛(wèi)星技術(shù)特別是衛(wèi)星電源技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。

空間電源系統(tǒng)是航天器最基本的組成部分之一，它在航天器所有飛行階段，即從發(fā)射起飛到轉(zhuǎn)移軌道直至在軌運(yùn)行的全過程為航天器的有效載荷和各服務(wù)分系統(tǒng)提供電能，并對其進(jìn)行儲存、分配和控制。

相比一般空間飛行器電源，深空探測器電源對工作環(huán)境、工作時間和工作穩(wěn)定性要求更為苛刻，在這種情況下，同位素電源成為首選。同位素電源不依賴太陽光，抗輻射能力強(qiáng)，是深空探測器的理想電源。它的優(yōu)點(diǎn)是：功率大，核燃料單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量是化學(xué)燃料的數(shù)萬至百萬倍，特別是反應(yīng)堆電源可提供數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦的電力；壽命長，核燃料單位質(zhì)量的能量高，很少一點(diǎn)核燃料即可供反應(yīng)堆電源工作10年甚至數(shù)十年，放射性同位素的半衰期(能量減少到初始能量一半的時間)也往往長達(dá)數(shù)十年，可滿足長期、遠(yuǎn)程航天飛行的需求；體積小，與太陽能電池需要展開數(shù)十甚至數(shù)百平方米的帆板相比，同位素電源的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，易于攜帶與安裝，使用方便；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高低溫、真空、輻射、沖擊和震動等惡劣環(huán)境下正常工作。

1 同位素電源研究發(fā)展

1.1 同位素電源研究發(fā)展

自1961年到2006年，美國已在26個空間飛行器上使用44個同位素溫差發(fā)電器，一部分用于美國國防部發(fā)射的導(dǎo)航、通信衛(wèi)星上，另一部分用于美國航天局發(fā)射的氣象衛(wèi)星、月面站、火星著陸器及行星際飛行器上。美國已用于空間任務(wù)的同位素溫差發(fā)電器中，全部采用Pu-238(半衰期87年)放射性同位素。這些同位素溫差發(fā)電器的輸出電功率從2.7～300 W，質(zhì)量從2～56 kg，最高效率已達(dá)6.7%,最高質(zhì)量比功率已達(dá)5.36W/kg，設(shè)計壽命為5～10年。為子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星、阿波羅登月計劃、林肯通信衛(wèi)星及探測土星的卡西尼行星際飛船等提供了長壽命的電源。目前,尚有32個同位素溫差發(fā)電器在空間軌道上運(yùn)行，早期發(fā)射的同位素溫差發(fā)電器的工作壽命已超過30年。蘇聯(lián)于1965年在兩個偵察衛(wèi)星上使用Po-210同位素溫差發(fā)電器,用作衛(wèi)星輔助電源。圖1為Snap3-RTG在子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星上的示意圖。表1列出了典型空間應(yīng)用RTG的性能。

1.2 美國普魯米修斯計劃介紹

圖1 Snap3-RTG在子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星上

表1 空間應(yīng)用RTG的性能

2002年，美國航天局(NASA)制定了一個五年計劃，總共投入9億美元資金資助所謂空間核創(chuàng)新計劃 (Nuclear Space Initiative-NSI)，目的是開發(fā)先進(jìn)的放射性同位素電源系統(tǒng)(Advanced Radioisotope Power Systems-ARPSs)和空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)(Space Nuclear Reactor Power Systems-SNRPSs)。

ARPSs的要求是：最多提供1 kW電功率，滿足包括火星和太陽系其它行星表面和子表面等深空探索和長期任務(wù)。要求設(shè)計靈活，可擴(kuò)展，能夠保留同位素衰減時發(fā)出的氦氣。

要求新研制的同位素電源系統(tǒng)增加系統(tǒng)比功率，同時減少同位素用量，以降低飛行成本。目標(biāo)：比功率增加2倍，即從目前放射性同位素溫差發(fā)電器 (RTG)的4.5W/kg，提高到8～10W/kg，效率從現(xiàn)在的約5.7%提高到2～4倍。

SNRPSs的要求是：滿足行星際核電推進(jìn)任務(wù)，需電功率20～100 kW，為了未來載人任務(wù)，甚至需要兆瓦電功率。SNRPSs可以在不同功率級運(yùn)行，多次關(guān)停和啟動。能夠在電源和/或電推進(jìn)模式運(yùn)行。

SNRPSs，當(dāng)電功率需求不大于100 kW時，傾向于采用靜態(tài)發(fā)電技術(shù)。靜態(tài)發(fā)電技術(shù)具有冗余度高、無單點(diǎn)失效、無運(yùn)動部件的優(yōu)點(diǎn)，而且散熱器質(zhì)量和體積較小。高功率級SNRPSs，則傾向于采用動態(tài)發(fā)電技術(shù)。

ARPSs和SNRPSs的技術(shù)關(guān)鍵是開發(fā)和演示有希望的熱－電換能技術(shù)。為了在21世紀(jì)第一個十年末能夠執(zhí)行飛行任務(wù)，選擇開發(fā)有希望的換能技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)當(dāng)在5年內(nèi)是先進(jìn)的，并超過樣機(jī)演示水平(TRL-5)。

2003年NASA將核創(chuàng)新計劃更名為普魯米修斯核電源和推進(jìn)計劃。該計劃面對未來各種新任務(wù)：火星科學(xué)站網(wǎng)絡(luò)、攜帶小型電推進(jìn)器、具有復(fù)雜機(jī)動能力的深空探測小型飛行器，將大大擴(kuò)展美國在行星或月球表面移動實(shí)驗(yàn)室、深空探測中的能力。普羅米修斯計劃包括3個組成部分。

(1)木星冰衛(wèi)星軌道器(JIMO:Jupiter Ice Moon Orbiter)。預(yù)計發(fā)射時期為2012年。空間核能源是當(dāng)前唯一能夠保證JIMO任務(wù)需要的技術(shù)。JIMO任務(wù)中，將首次使用一個小型核裂變反應(yīng)堆提供給軌道器電能，同時非直接的為推進(jìn)服務(wù)。為轉(zhuǎn)移風(fēng)險，計劃反應(yīng)堆在軌道器充分脫離地球引力之后開啟(大約1 000 km低地軌道)。

(2)核能源。初始設(shè)計要求提高當(dāng)前同位素電源的效率。

(3)核推進(jìn)。包括發(fā)展JIMO的核反應(yīng)堆。

2 我國深空探測器及同位素電源研究應(yīng)用的迫切性

深空探測是一個國家綜合國力和科技水平的體現(xiàn)，是中國航天活動發(fā)展的必然選擇。40多年的航天工程實(shí)踐，使中國在技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)施、人員等方面已經(jīng)具備了開展深空探測研究的實(shí)力。未來10年，中國應(yīng)大力推進(jìn)深空探測技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)施，在充分繼承現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，努力促進(jìn)新材料、新技術(shù)、新工藝等在深空探測中的應(yīng)用。深空探測一直是推動國家科技進(jìn)步、開展新技術(shù)和新型部件技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證的重要手段。同時中國應(yīng)盡快建立健全的深空探測測控網(wǎng)絡(luò)，為今后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來10年，應(yīng)是中國深空探測技術(shù)飛速發(fā)展的10年。在努力實(shí)施月球探測一期和二期工程的基礎(chǔ)上，要積極開展火星及其它行星探測器的可行性和方案論證工作。在自我為主的原則下，要大力開展國際合作，力爭在深空探測的國際舞臺上占有自己的一席之地

3 同位素電源開發(fā)安全性

同位素電源開發(fā)的不可忽視的問題就是其安全問題。美國在1965年發(fā)射的一顆衛(wèi)星，用反應(yīng)堆溫差發(fā)電器作為電源，由于電源調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障僅工作43天。以钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發(fā)電器，曾用于“子午儀號”導(dǎo)航衛(wèi)星、“林肯號”試驗(yàn)衛(wèi)星和“雨云號”衛(wèi)星。這些衛(wèi)星經(jīng)過長時間的空間運(yùn)行后，放射性同位素衰變殆盡，再入大氣層燒毀。美國在1964年4月發(fā)射“子午儀號”導(dǎo)航衛(wèi)星時，因發(fā)射失敗衛(wèi)星所攜帶的放射性同位素源被燒毀，钚238散布在大氣層中并擴(kuò)散至全球。后來改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。1968年5月“雨云號”氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時，同位素電源落入圣巴巴拉海峽，后被打撈上來。蘇聯(lián)在1967—1982年共發(fā)射了24顆核動力衛(wèi)星。衛(wèi)星帶有以濃縮鈾235為燃料的熱離子反應(yīng)堆，功率為5～10 kW。它們在200多公里的低軌道上工作，完成任務(wù)后核反應(yīng)堆艙段與衛(wèi)星體分離，并用小型火箭推到大約1 000 km的軌道，可運(yùn)行600年。1978年1月24日，蘇聯(lián)“宇宙954號”核動力衛(wèi)星發(fā)生故障，核反應(yīng)堆艙段未能升高而自然隕落，未燃盡的帶有放射性的衛(wèi)星碎片散落在加拿大境內(nèi)，造成嚴(yán)重污染。1983年1月“宇宙1402號”核動力衛(wèi)星發(fā)生類似故障，核反應(yīng)堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時完全燒毀。

太空核動力的安全一向是國際社會共同關(guān)心的問題。NASA將把普羅米修斯計劃的安全問題放在重要的地位。1992年聯(lián)合國大會通過的《關(guān)于在外層太空使用核動力源的原則》規(guī)定了同位素電源開發(fā)安全要求。

關(guān)于安全保障措施目前采用的主要有以下幾種：

一是將停止工作的核動力衛(wèi)星，利用其剩余的燃料，重新射入更高的軌道即離地面800 km以上的高軌道上，作永久性運(yùn)轉(zhuǎn)直至其放射性燃料衰變到所規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)以下。

二是在失事情況下，重返大氣層時必須使其核物質(zhì)在重返過程中在高層空間，即離地面80～30 km的中間層和平流層完全燒毀，使其放射性塵埃散布在所經(jīng)過的廣大區(qū)域，隨著氣流的變化而逐步漂流擴(kuò)散

三是在使用同位素發(fā)電器時，核動力衛(wèi)星上裝有核燃料的密封艙必須完整無損地降回地面，安全地予以回收，如降落在海洋中則能經(jīng)受住海水的長期浸泡而不致被腐蝕[1-2]。

[1]韓鴻碩，李靜.21世紀(jì)NASA深空探測的發(fā)展計劃[J].中國航天，2008(2):41-44.

[2]章民.美國“普羅米修斯”計劃與太空核動力[J].國外科技動態(tài)，2006(5):4-13.