磁流體發電系統在空間電源中的應用研究

劉飛標 朱安文 唐玉華

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 探月與航天工程中心，北京 100037）

1 引言

隨著深空探測任務的開展，電源成為其應該首要解決的問題。化學能電源適用于短時工作的航天器。太陽能電源在近地空間范圍內具有明顯的優勢，但用于深空探測時的效率并不高，對于大型的深空探測任務，隨著用電功率的增加，太陽電池板面積、質量快速增加，太陽電池陣的展開尺寸和構型將直接影響到航天器的尺寸和動力學特性，并且會增加航天器的總體規模，以及姿態控制、溫度控制和結構機構的設計難度。使用太陽能的航天器電源系統，其質量功率比目前約為30kg／kW，理想情況下不低于5kg／kW［1］。在無人深空探測中，航天器上使用的電源一般為放射性同位素核電源。過去幾十年中，美俄等主要航天國家發射的核電源達上百個，但提供的功率只有十幾瓦到幾百瓦，能量密度很低。而在未來的大型航天任務中，需要的電功率可能達到兆瓦級別，此時同位素電源將無法滿足需求。核能磁流體（MHD）發電機在發電功率大于3 MW時，電源系統的質量功率比可小于2kg／kW，因此成為未來大型航天任務理想的電源方案［2］。

磁流體發電技術的基本工作原理是法拉第電磁感應定律。它使用導電流體代替固體導體，并使導電流體以一定速度通過與流動方向相互垂直的磁場，切割磁力線而產生電動勢，從而產生電能［3］。磁流體發電時直接將熱能轉換為電能，沒有旋轉部件，是目前轉換效率最高的發電形式。基于核能的磁流體發電機運行溫度高，從反應堆中流出的冷卻劑可以直接用作發電機的工質，并且在流進發電機前已經在反應堆中高溫電離為等離子體［4］，通過回路將工質送回反應堆，從而實現工質的循環使用。由于采用核能，磁流體發電系統發電功率大，系統自身可以獨立于太陽能工作，并且發電功率不受太陽距離的影響。此外，磁流體發電的工質滯溫在反應堆出口處接近1800K，在實現工質電離的同時也能提高航天器的散熱溫度，進一步降低系統的質量功率比。

目前，空間核電源采用磁流體發電技術，成為國際上的前沿研究方向。文獻［5］中研究了基于氦／氙（He／Xe）混合氣體的磁流體發電機結合反應堆的空間應用；文獻［6］中提出的空間磁流體發電方案采用法拉第型磁流體發電機；文獻［7］中介紹了各種閉環磁流體發電系統。此外，NASA 的馬歇爾航天飛行中心在磁流體發電機相關研究方面已取得了一定的成果；美國佛羅里達大學、印度石油能源大學等也在開展相關的研究工作。本文在調研上述研究成果的基礎上，從空間磁流體發電系統應考慮的各個因素出發，綜合對比分析了直線型和盤式磁流體發電機的優缺點，介紹了發電機工質和提高等離子體穩定性的方法，總結了空間磁流體發電系統和地面試驗研究進展，提出了啟示與發展建議。

2 磁流體發電機類型

2．1 直線型磁流體發電機

直線型磁流體發電機（見圖1）是過去幾十年地面磁流體發電研究的重點。在這種發電機中，高溫的導電流體流過發電通道，會在垂直于流速方向和磁場方向產生橫向的電場；通過放置在相對位置處的電極就可以輸出電能。其導電流體的流通路徑設計為直線型，典型的發電機流通截面為矩形，并且從入口到出口是逐漸擴張的。直線型磁流體發電機本身結構簡單，原理清楚，效率和性能比較好。不過，它要使用鞍形超導磁體，而這種磁體制造工藝復雜。

圖1 不同類型的直線型磁流體發電機Fig．1 Different types of linear MHD generators

根據利用霍爾電場形式的不同，直線型磁流體發電機可分為連續電極型、分段法拉第型、霍爾型和對角線型（斜聯型）［3］。

（1）連續電極型磁流體發電機的優點是負載和結構簡單，缺點是通道性能較差，因而不常采用。

（2）在直線型磁流體發電機中，軸向的霍爾電流造成發電機的電能損失。分段法拉第型磁流體發電機在連續電極型發電通道的基礎上，將電極分成許多小段，在氣流方向互相絕緣，完全靠法拉第電場輸出電功率，以抑制霍爾電流。分段法拉第型磁流體發電機的原理清楚，效率較高，運行調節靈活，但實際使用時要配套許多負載。

（3）針對分段法拉第型磁流體發電機多負載的缺點，后來提出了串接發電機的概念，也就是霍爾型磁流體發電機。該發電機利用法拉第電場和霍爾電場合成的電場，把分段法拉第型磁流體發電機中上、下電位相同的電極互相串接起來，發電機負載則接于首末兩端的電極上，這樣就可以使用單一的負載或較少的負載，但其電極處存在比較嚴重的電流集中，會造成一定程度的電能損失。

（4）在霍爾型磁流體發電機之后，美國又提出了對角線型磁流體發電機，將發電機的電極和側壁設計成一體。這種發電機結構簡單，對干凈燃料磁流體發電機的發展起到積極推動作用。

2．2 盤式磁流體發電機

盤式磁流體發電機的結構布局是為利用霍爾效應發電而設計的［8］。其中，工質沿徑向流動，磁場沿軸向。在工質流動方向放置的一對電極將徑向電流（霍爾電流）引出，周向的電流分量（法拉第電流）自身完全短路，與工質流動方向和磁場方向垂直，如圖2所示。可見，盤式磁流體發電機完全依靠霍爾效應發電。

圖2 盤式磁流體發電機Fig．2 Disk MHD generator

盤式磁流體發電機具有目前最高的發電效率紀錄，與直線型磁流體發電機相比，具有以下優勢：①相同距離下沿徑向的電壓要比直線型發電通道中的高，這樣就提高了輸出的總電能和單位體積輸出的電能，發電機結構可以很緊湊；②使用簡單的環形電極，電壓壓降小，均勻的等離子體可以持續在發電通道中旋轉流動，而直線型涉及復雜的電極分段問題；③簡潔緊湊的結構布局使得對應的磁體系統設計簡單，磁場由一對放置于圓盤上下兩面的亥姆霍茲線圈提供，可以產生平行的磁力線，使用超導磁體時，磁體可以做得很小［8］，而直線型的要使用鞍形超導磁體，制造難度大。因此，在空間應用中，考慮發電系統整體結構、技術難度、閉環使用等因素，盤式磁流體發電機更具優勢。以下主要介紹盤式磁流體發電機的研究情況。

3 盤式磁流體發電機工質的選擇

空間磁流體發電環境不同于地面：①空間是微重力狀態；②航天器由于成本和體積等制約因素，不能做得太大，質量應盡可能小，質量功率比越低越好；③發電系統應結構緊湊，發電功率大，能更好地支持航天任務的開展。

目前，在地面的閉環盤式磁流體發電機中，工質大多采用惰性氣體氦氣或氬氣，添加的種子材料主要為堿金屬銫。這是因為：惰性氣體自身的電離電位很高，而堿金屬的電離電位非常低，在惰性氣體中只要添加極其少量的堿金屬即可明顯提高惰性氣體的電導率。不過，堿金屬具有極強的化學性質，會與發電機通道內壁發生反應，改變發電通道的流場特性，減少發電機壽命，降低發電機性能［9］。作為空間使用的電源，在保證輸出功率的情況下，發電系統越簡單越好，以提高航天器的可靠性。如果僅使用單一惰性氣體工質或使用惰性氣體來代替堿金屬作為種子材料，既可以使種子材料注入設備變得簡單，又可以除去涉及堿金屬的設備，如混合、再生和控制設備，從而提高發電機的可靠性［9］。

在這種思路下，文獻［10］中提出使用單一的惰性氣體作為工質，也即“凍結惰性氣體等離子體”（Frozen Inert Gas Plasma，FIP）。研究結果表明，在電子溫度高于5000K 時，惰性氣體離子的三體復合系數很低，惰性氣體的電離度在整個發電機通道中幾乎保持恒定。文獻［11］中提出使用混合惰性氣體（Mixed Inert Gas，MIG）作為工質，比起使用氦氣的“凍結惰性氣體等離子體”作為工質有如下優勢：①在相同的電子溫度下，工質具有更高的電子數量密度和電導率；②在相同的電子數量密度條件下，工質具有更低的電子溫度；③用于預電離的能量更少。

選用惰性氣體作為種子材料，工質和種子材料很容易混合均勻，并且容易控制其質量分數。然而，種子材料要么具有大的碰撞截面，要么具有大的非彈性損失因子［9］，這樣才能保證電子溫度比重粒子溫度高很多，實現非平衡態電離；而且，種子材料還必須具有盡可能低的電離電位。從這些角度考慮，氙氣是最合適的種子材料。

通過求解描述電子數量密度和電子溫度之間關系的沙哈方程，可以發現在選用氙氣作為種子材料時不同工質的性能差別［4，9］。圖3描述的分別是氬氣和氦氣作為工質時，不同工況下電子溫度與電子數量密度的關系。從圖3（a）可以看出，在氬氣中添加氙氣并沒有明顯地提高電子數量密度。在圖3（b）中，盡管在氦氣中添加氙氣的電離效果沒有添加銫的效果好，但比起純氦氣來說，其電子數量密度還是要高出一兩個數量級。由此可知，在選用氙氣作為種子材料時，氦氣非常適合用作工質；并且在惰性氣體元素中，氦氣具有最小的原子質量，在相同情況下比其他元素可以獲得更高的流速。然而，由于氦氣、氙氣的電離電位非常接近，當入口處引入一定的擾流時，工質的穩定性就會遭到破壞，進而使發電機的性能急劇下降。

圖3 氬氣和氦氣作為工質時的電子數量密度Fig．3 Electron number density for the case of Ar and He working gas

4 盤式磁流體發電機中提高等離子體穩定性的方法

盤式磁流體發電機完全基于霍爾效應發電，單位體積輸出的電能主要取決于等離子體的電導率和霍爾參數［8］。等離子體通常情況下是不易穩定的，在發電通道中往往不均勻分布，從而降低盤式磁流體發電機的性能。目前，主要有以下幾種提高等離子體穩定性的方法。

4．1 擴張型發電通道

擴張型發電通道如圖4所示，在高度恒定的發電通道中，等離子體無法在其中保持穩定，改進的方法就是根據流體特性設計發電通道，即擴張型發電通道的概念。對擴張角的研究結果表明，擴張角在一定范圍內時，焓提取率（輸出電能與輸入熱能的比值）會隨著該角度的增大而增大［12］。其原因在于：工質得到了充分的膨脹，將更多的熱能轉化為電能，但在不同工況下會存在某一最佳的擴張角，在設計盤式磁流體發電機時應重點考慮。

圖4 擴張型發電通道Fig．4 Divergent generator channel

4．2 在發電通道入口處添加導流片

在盤式磁流體發電機中，工質由于受到洛倫茲力的影響，會出現除徑向速度分量之外的周向速度分量［8］，而周向速度分量會直接減小霍爾電壓。在發電通道入口處添加正的導流片（見圖5），會明顯提高霍爾電壓，進而提高發電功率。

圖5 添加導流片的盤式磁流體發電機示意Fig．5 Schematic diagram of disk MHD generator with swirl vanes

文獻［13］中的試驗結果表明：①在入口等離子體條件很差的情況下，導流片會抑制陽極附近出現負電位區域；②導流片可以提高等熵效率（實際情況下發電機中焓的改變量與理想等熵過程中焓的改變量的比值），原因在于導流片在減小洛倫茲力的同時提高了工質的霍爾參數。

4．3 波狀外形發電通道

擴張型發電通道雖提高了發電機的性能，但其內部等離子體的速度和溫度等值線的分布明顯雜亂，因為通道中發生了邊界層的分離。為了避免這一問題，可以將通道改進為波狀外形，這樣不僅能得到更為均勻的速度和溫度等高線分布（見圖6），還可以避免邊界層的分離，在數值仿真中也得到了更高的焓提取率和等熵效率，即使在高焓提取率情況下也能獲得高馬赫數-低靜壓的等離子體［14-15］。

圖6 某工況下波狀外形發電通道內的工質馬赫數及電子溫度分布Fig．6 Mach number and electron temperature distributions in contoured channel under certain working condition

4．4 在發電通道入口處添加射頻線圈

高度電離的等離子體在流經發電通道之前要經過一段軸向通道，其間等離子體的溫度會有一定程度的下降。由于等離子體的電離度主要取決于溫度，溫度降低后，處于發電通道陽極處的等離子體已經變得不均勻，會嚴重影響發電機的性能。通過在發電機入口處添加射頻線圈（見圖7），通電后產生一定的無線電頻率，可提高等離子體的電離度，使整個通道中的等離子體保持均勻，并將等離子體原來的大振幅、低頻波動轉變為小振幅、高頻波動，避免發電機陽極附近出現負的電動勢，而且，用于射頻線圈的電能非常小，僅為輸出電能的0．6%［16］。

圖7 加入射頻線圈的盤式磁流體發電機Fig．7 Disk MHD generator with RF coils

5 空間盤式磁流體發電系統及地面試驗研究

從循環形式上分，使用核能的盤式磁流體發電系統有閉環和開環兩種。文獻［17］中研究了使用氫氣作為工質的開環盤式磁流體發電系統。在該系統中，一方面，須要配備液氫和種子材料的存儲、輸送和注入設備，增加系統的復雜程度；另一方面，氫氣直接排出，無法循環使用，系統的工作時間受到限制。在文獻［1-2］中研究的高溫氣體閉環核能磁流體發電系統，采用氦氣作為工質，氦氣可直接用作反應堆的冷卻劑，并可以循環使用。

5．1 高溫氣體閉環核能磁流體發電系統

5．1．1 工作原理

高溫氣體閉環核能磁流體發電系統（見圖8）［1-2］主要包括核反應堆、磁流體發電機、熱交換器、壓縮機、熱輻射器等。系統采用盤式磁流體發電機，氦／氙混合氣體作為工質。氦／氙混合氣體在反應堆中充當冷卻劑，反應堆出口滯溫約為1800K，混合氣體流出反應堆時已實現部分電離。由于氦氣的電離電位很高，在反應堆出口處無法獲得足夠的電導率，為此在發電機前面設置預電離裝置，使混合氣體的導電性達到發電要求。混合氣體經過發電通道后仍攜帶大量的熱能，這些熱能一部分經過熱輻射器排散到空間，另一部分經過多級壓縮機送回熱交換器。熱交換器收集混合氣體熱能并將其送回核反應堆，這樣就實現了對混合氣體的循環使用。發電機輸出的電能除了部分用于壓縮機和預電離裝置外，其余都可以提供給航天器使用。

圖8 高溫氣體閉環核能磁流體發電系統工作原理Fig．8 Working principle of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

5．1．2 性能參數

文獻［1-2］中從熱力學循環分析、系統質量功率比分析等方面，對采用高溫氣體閉環核能磁流體發電系統的航天器進行了系統評估（見圖9）。其結果如下：反應堆出口滯溫約為1800K。反應堆自身輸出能量約為5 MW，由于熱交換器的使用，混合氣體在流回反應堆時攜帶約8 MW 的能量，這樣輸入到磁流體發電機的能量為12．890 MW。發電機焓提取率為35%，等熵效率為80%。穩定運行時，發電機輸出電能為4．513 MW，其中0．080 MW 用于預電離裝置，1．670 MW 用于壓縮機，最后可供航天器使用的電能高達2．760 MW，系統的發電效率可達55．2%。

圖9 高溫氣體閉環核能磁流體發電系統性能參數Fig．9 Performance characteristics of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

對系統進行質量功率比分析后發現：當發電系統輸出電能為1．000MW 時，質量功率比約為3kg／kW；輸出電能達到2．000 MW 時，質量功率比為2～3kg／kW；輸出電能大于3．000 MW 時，質量功率比小于2kg／kW。目前，盤式磁流體發電機還處于試驗研究階段，文獻［2］中建議先使用模擬的非核熱源進行原理性驗證，可以選用較小規模的發電機，發電機輸入熱能為1．500 MW，入口滯溫為1800K，滯壓為0．200 MPa，磁通密度為3 T，工質流量為0．16kg／s，用于預電離裝置的電能約為4．700kW。在上述給定條件下，設計的盤式磁流體發電機入口半徑為5cm，出口半徑為20cm，入口高度為1．5cm，出口高度為1．1cm，發電通道示意見圖10。發電機的輸出負載電壓為2．905kV，負載電流為122．4A，輸出電能為0．356MW，焓提取率約為23．7%。

圖10 盤式磁流體發電機發電通道示意Fig．10 Schematic diagram of disk MHD generator channel

5．2 地面試驗研究

在盤式磁流體發電機的地面試驗中，試驗設備主要有以下3種［18］。

（1）激波管試驗設備（1970年至今），用于驗證設備的焓提取率和等熵效率，研究非平衡態等離子體本身的特征。

（2）落壓式設備（如Fuji-1，1981-1999年），主要用于驗證焓提取率，發電持續時間約為1min。

（3）超音速閉環試驗設備（見圖11，2002年至今），發電運行時間可以持續10min、1h或1d。閉環試驗設備不是為實現高的電能輸出和焓提取率，而是為驗證磁流體發電機長時間連續輸出電能的可行性。

以激波管試驗設備為例，它通常包括激波管、氣體回收裝置、發電機、超導磁體以及各種測試設備等（見圖12［16］）。激波管是一個封閉的管，由高壓（驅動）和低壓（被驅動）兩部分組成，中間用鋁制薄膜隔開。當薄膜被瞬間移除，管道中就會有激波產生，使部分氣體瞬間變為等離子體，由于工質流速非常快，激波管試驗設備的工作時間在毫秒量級。

圖11 超音速閉環試驗設備Fig．11 Supersonic closed loop experimental facility

圖12 激波管試驗設備Fig．12 Shock-tube experimental facility

6 啟示與建議

6．1 啟示

（1）磁流體發電機能量密度大、運行溫度高的特點，可以使航天器實現很低的質量功率比，具有很好的空間應用前景。可變比沖磁流體火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR）的發明人Chang Diáz，研究了高溫氣體閉環核能磁流體發電系統配合VASIMR 用于載人火星探測的可行性，認為在對輕量反應堆和磁流體發電技術進行多年研究的情況下，結合VASIMR 用于載人火星探測可以大大縮短到達火星的時間。與NASA 的火星參考設計任務-5．0（Design Reference Mission-5．0，DRM-5．0）中的飛行方案對比表明，在飛船初始質量、有效載荷、出發時間及火箭運載能力相同的情況下，高溫氣體閉環核能磁流體發電系統結合VASIMR的方案將總的飛行時間縮短到149d，比DRM-5．0中使用核熱火箭的飛行方案減少了226d。若為無人飛行任務，核能磁流體發電系統結合VASIMR的系統，可比化學火箭或核熱火箭運輸質量更大的貨物［19］。可見，磁流體發電技術具有明顯的優勢。

（2）盤式磁流體發電機已成為目前磁流體發電機的研究主流。在綜合考慮應用背景、技術優勢等因素的情況下，盤式磁流體發電機是空間大功率電源的最佳選擇。氦／氙混合氣體在熱物性能等方面具有明顯優勢，是盤式磁流體發電機理想的工質。對盤式磁流體發電機進行研究時，要考慮的主要內容包括發電通道擴張角、入口導流片比、通道曲率、外接負載及電離度等。

（3）盤式磁流體發電機性能優越，但要實現空間應用還要突破眾多關鍵技術。①等離子體穩定性技術，直接影響發電機的性能。②等離子體物理參數的測量技術，還處于起步階段，測試儀器的靈敏度和準確度有待提高。③發電機發電通道的加工制作工藝，須深入研究。其中，精確構型尺寸是防止內表面邊界層分離、影響等離子體穩定性的重要因素。

（4）高溫氣體閉環核能磁流體發電系統本身也面臨以下技術難題。①核反應堆自身的小型化及長時間穩定運行；②空間核動力安全技術；③耐高溫材料的研制；④高強磁場磁體及大功率配電體制。

6．2 發展建議

高溫氣體閉環核能磁流體發電系統可以支持太陽能應用困難、需要大功率供電和大功率電推進的航天任務，包括地球同步軌道微波成像、月球／火星基地和載人火星飛行等。而且，磁流體發電的相關技術可以應用于電推進、供配電、空間等離子探測等，同時可以促進耐高溫材料技術、超導技術及制造工業技術的發展。我國的空間核電源研究工作剛剛起步，針對反應堆、材料、工藝等方面的發展現狀，建議選擇磁流體發電技術路線，推進盤式磁流體發電機研究，使我國在空間核動力技術領域實現快速發展。建議在全面開展理論和仿真研究的基礎上，突破發電機設計的關鍵技術，完成發電原理性演示驗證，解決工程化問題，開展核動力航天器的研究，最終實現空間核動力的工程應用。

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