同位素電源系統(tǒng)研究進(jìn)展

康海波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381)

近年來(lái)，隨著人類對(duì)浩瀚太空探索的步伐不斷加快，以及國(guó)防和相關(guān)公共事業(yè)對(duì)衛(wèi)星、飛船及星際探測(cè)器等航天器的需求急劇膨脹，國(guó)內(nèi)外在航天領(lǐng)域都加大了投入和研究力度，推動(dòng)了航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)衛(wèi)星技術(shù)特別是衛(wèi)星電源技術(shù)取得了長(zhǎng)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(guò)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(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存、分配和控制。

相比一般空間飛行器電源，深空探測(cè)器電源對(duì)工作環(huán)境、工作時(shí)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(yáng)光，抗輻射能力強(qiáng)，是深空探測(cè)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(wàn)至百萬(wàn)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(zhǎng)，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(shí)間)也往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，可滿足長(zhǎng)期、遠(yuǎn)程航天飛行的需求；體積小，與太陽(yáng)能電池需要展開(kāi)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(dòng)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(guó)已在26個(gè)空間飛行器上使用44個(gè)同位素溫差發(fā)電器，一部分用于美國(guó)國(guó)防部發(fā)射的導(dǎo)航、通信衛(wèi)星上，另一部分用于美國(guó)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(guó)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(jì)壽命為5～10年。為子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星、阿波羅登月計(jì)劃、林肯通信衛(wèi)星及探測(cè)土星的卡西尼行星際飛船等提供了長(zhǎng)壽命的電源。目前,尚有32個(gè)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(guò)30年。蘇聯(lián)于1965年在兩個(gè)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(guó)普魯米修斯計(jì)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(guó)航天局(NASA)制定了一個(gè)五年計(jì)劃，總共投入9億美元資金資助所謂空間核創(chuàng)新計(jì)劃 (Nuclear Space Initiative-NSI)，目的是開(kāi)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(yáng)系其它行星表面和子表面等深空探索和長(zhǎng)期任務(wù)。要求設(shè)計(jì)靈活，可擴(kuò)展，能夠保留同位素衰減時(shí)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(shí)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(lái)載人任務(wù)，甚至需要兆瓦電功率。SNRPSs可以在不同功率級(jí)運(yùn)行，多次關(guān)停和啟動(dòng)。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(shí)，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(wú)單點(diǎn)失效、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)點(diǎn)，而且散熱器質(zhì)量和體積較小。高功率級(jí)SNRPSs，則傾向于采用動(dòng)態(tài)發(fā)電技術(shù)。

ARPSs和SNRPSs的技術(shù)關(guān)鍵是開(kāi)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(gè)十年末能夠執(zhí)行飛行任務(wù)，選擇開(kāi)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(guò)樣機(jī)演示水平(TRL-5)。

2003年NASA將核創(chuàng)新計(jì)劃更名為普魯米修斯核電源和推進(jìn)計(jì)劃。該計(jì)劃面對(duì)未來(lái)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(dòng)能力的深空探測(cè)小型飛行器，將大大擴(kuò)展美國(guó)在行星或月球表面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、深空探測(cè)中的能力。普羅米修斯計(jì)劃包括3個(gè)組成部分。

(1)木星冰衛(wèi)星軌道器(JIMO:Jupiter Ice Moon Orbiter)。預(yù)計(jì)發(fā)射時(shí)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(gè)小型核裂變反應(yīng)堆提供給軌道器電能，同時(shí)非直接的為推進(jìn)服務(wù)。為轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)劃反應(yīng)堆在軌道器充分脫離地球引力之后開(kāi)啟(大約1 000 km低地軌道)。

(2)核能源。初始設(shè)計(jì)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(guó)深空探測(cè)器及同位素電源研究應(yīng)用的迫切性

深空探測(cè)是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技水平的體現(xiàn)，是中國(guó)航天活動(dòng)發(fā)展的必然選擇。40多年的航天工程實(shí)踐，使中國(guó)在技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)施、人員等方面已經(jīng)具備了開(kāi)展深空探測(cè)研究的實(shí)力。未來(lái)10年，中國(guó)應(yīng)大力推進(jìn)深空探測(cè)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(cè)中的應(yīng)用。深空探測(cè)一直是推動(dòng)國(guó)家科技進(jìn)步、開(kāi)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(shí)中國(guó)應(yīng)盡快建立健全的深空探測(cè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，為今后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來(lái)10年，應(yīng)是中國(guó)深空探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展的10年。在努力實(shí)施月球探測(cè)一期和二期工程的基礎(chǔ)上，要積極開(kāi)展火星及其它行星探測(cè)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(kāi)展國(guó)際合作，力爭(zhēng)在深空探測(cè)的國(guó)際舞臺(tái)上占有自己的一席之地

3 同位素電源開(kāi)發(fā)安全性

同位素電源開(kāi)發(fā)的不可忽視的問(wèn)題就是其安全問(wèn)題。美國(guó)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(hào)”導(dǎo)航衛(wèi)星、“林肯號(hào)”試驗(yàn)衛(wèi)星和“雨云號(hào)”衛(wèi)星。這些衛(wèi)星經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(guó)在1964年4月發(fā)射“子午儀號(hào)”導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，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(lái)改用特種石墨作同位素源外殼，以防燒毀。1968年5月“雨云號(hào)”氣象衛(wèi)星發(fā)射失敗時(shí)，同位素電源落入圣巴巴拉海峽，后被打撈上來(lái)。蘇聯(lián)在1967—1982年共發(fā)射了24顆核動(dòng)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?cè)?00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(hào)”核動(dòng)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(hào)”核動(dòng)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(shí)完全燒毀。

太空核動(dòng)力的安全一向是國(guó)際社會(huì)共同關(guān)心的問(wèn)題。NASA將把普羅米修斯計(jì)劃的安全問(wèn)題放在重要的地位。1992年聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)的《關(guān)于在外層太空使用核動(dòng)力源的原則》規(guī)定了同位素電源開(kāi)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(dòng)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(shí)必須使其核物質(zhì)在重返過(guò)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(guò)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(shí)，核動(dòng)力衛(wèi)星上裝有核燃料的密封艙必須完整無(wú)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(zhǎng)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(cè)的發(fā)展計(jì)劃[J].中國(guó)航天，2008(2):41-44.

[2]章民.美國(guó)“普羅米修斯”計(jì)劃與太空核動(dòng)力[J].國(guó)外科技動(dòng)態(tài)，2006(5):4-13.