空間堆核動力技術選擇研究

陳 杰，高劭倫，夏陳超，潘 軍，周劍雄，羅 超

（1.上海航天技術研究院，上海 201109；2.上海空間電源研究所，上海 201109；3.上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著人類探索、利用空間的深度與廣度不斷拓展，亟需空間動力技術不斷進步，來提供電源和推進動力的支撐。目前，基于太陽能、化學能的空間電源與空間推進技術，其技術能力發展已接近極限水平。例如，目前太陽光伏電池最高光電轉換效率為32%～36%，鋰離子蓄電池最高比能量為190～250 Ah/kg，考慮航天器可接受太陽帆面積與質量約束，太陽翼與蓄電池組合輸出最大功率約為50 kWe；液體單組元（無水肼N2H4、單推三DT-3、硝酸羥氨基HAN 等）、液體可貯存雙組元（四氧化二氮/一甲基肼NTO/MMH 和四氧化二氮/無水肼NTO/N2H4）、液體雙元低溫推進（液氧/液氫LOX/LH2）推進劑發動機的最高比沖分別為220～245 s、315～325 s 和440～465 s?？臻g核動力技術是突破空間動力技術能力發展極限的現實可選技術，發展空間核動力技術是航天強國建設的重要戰略方向。

空間核動力裝置泛指在空間將核能轉變為熱能、電能和推進動能，為空間應用提供動力的裝置。核能包括放射性同位素（或同質異能素）的衰變能[1]、重核裂變能、輕核聚變能、正反物質湮滅能，其中衰變能和裂變能是目前工程上實現可控應用的核能。核能通過衰變和裂變直接產生熱能，熱能可為空間極端低溫環境設備和艙室提供保溫；熱能也可通過各種熱電轉換裝置轉變為電能，為空間設備供電；熱能還可直接加熱推進工質，經發動機噴管將熱能轉變為動能，形成核熱推進裝置，為航天器提供核熱推進動力；電能可電離推進工質，對電子和離子施加電場庫倫力或電磁洛倫茨力，形成核電推進裝置，為航天器提供電推進動力。核能與熱能、電能、動能的能量轉換關系如圖1 所示。

圖1 空間核能應用能量轉換關系Fig.1 Illustration of utilization of space nuclear energy

空間核動力的技術體制選擇主要取決于動力應用、核燃料類型、熱電轉換、推進方式等。其中，每一種技術體制有特定的適應范圍，主要依據使用要求、使用壽命和技術可行性進行合理選擇。呈現了適用于不同應用的各種空間核動力系統主要可選技術體制如圖2 所示。

圖2 空間核動力系統適用不同應用的主要技術體制Fig.2 Different technology options of space nuclear power

空間核電源可用于太陽光照極弱的深遠空環境，或有大功率需求的空間應用場景。其中，基于放射性同位素的核衰變電源工作壽命可達幾十年，但是僅能提供數瓦到數百瓦電功率，目前其使用主要受限于核衰變材料238Pu 的來源和價格問題；基于空間堆的核裂變電源，可提供數千瓦到數兆瓦的電功率，在功率大于100 kWe 量級時，相對于太陽能電源系統具有明顯的優勢，如圖3 所示[2]。

大功率空間核電推進比沖性能可達5 000～10 000 s 量級，但是僅能提供“牛頓”量級的小推力；空間核熱推進推力可達數噸到數十噸量級，采用氫作為工質產生的比沖可達1 000 s 量級，相對最高比沖的低溫液氫/液氧化學推進系統，比沖可提高1 倍以上。

圖3 各種空間能源類型適應的功率和壽命范圍Fig.3 Electric power and using life of different space power

本文重點圍繞空間核反應堆電源技術，概述了國外技術發展情況，梳理了其在地球軌道空間及深空探測領域的應用需求，對我國未來空間核電源技術體制提出了發展建議。在此基礎上，分析了空間核動力主要關鍵技術，可為后續空間核動力技術研究提供參考。

1 國際上空間堆電源技術發展現狀

從人類進入空間時代開始，早期太陽能電源技術不成熟，觸發了蘇美兩國空間核電源技術的發展。美國雖然是最早實現空間反應堆上天的國家，但是總體上目前俄羅斯在基于裂變堆的空間核動力技術方面處于國際領先地位，美國則在基于放射性同位素衰變能的空間電源方面處于國際領先地位[3-10]。

1.1 蘇聯/俄羅斯發展情況

蘇聯/俄羅斯從20 世紀60 年代開始了包括空間核反應堆電源在內的空間核動力技術研究，已經取得了顯著的成果，積累了豐富的經驗。

從20 世紀60 年代至80 年代，蘇聯研制了ROMASHKA、BUK、TOPAZ-1 和TOPAZ-2 等多個型號的空間核反應堆電源，電功率從數百瓦至數千瓦量級。其中，ROMASHKA 型僅進行了地面長時間壽命試驗，采用液態金屬冷卻快中子堆和溫差發電技術路線，系統質量為508 kg，電功率約為0.5 kWe；BUK 型采用同樣技術路線，系統質量為930 kg，電功率約為3 kWe，1970—1988 年共發射了35次，其中成功33 次，運行壽命最長為135 d；TOPAZ-1 型采用液態金屬冷卻熱中子堆與熱離子發電的技術路線，系統質量約為1 t，電功率約為7 kWe，1987 年發射入軌兩顆，運行壽命最長的為342 d；TOPAZ-2 型采用同樣技術路線，改進了發電效率，系統質量約為1 t，電功率約為5.5 kWe，僅完成了地面集成試驗，后因蘇聯解體而研制停止。

蘇聯解體之后，俄羅斯以國際合作的方式開展了一些空間核動力技術研究，但總體上發展相對緩慢。進入21 世紀，俄羅斯欲重樹航天領先地位，2009 年宣布投資170 億盧布研發兆瓦級空間核動力飛船，用于太陽系內載人或無人的探索任務。兆瓦級核動力飛船電功率約1 MWe，一回路采用高溫氣冷快堆與布雷頓熱電轉換，二回路采用泵驅流體回路結合熱管或液滴輻射冷卻的技術路線，設計使用壽命10 a，擬采用比沖達7 000 s 的離子電推進系統執行空間任務。

1.2 美國發展情況

美國從20 世紀50 年代開始空間核動力研究，同樣已有良好的技術儲備，把空間核動力視為重要戰略發展方向持續投入，其空間核反應堆電源技術的發展包含了幾個典型的階段。

1954 年，美國啟動“誘騙者”計劃（后改為SNAP 計劃）開展空間核反應堆電源研究。在該計劃成果支撐下，1965 年美國成功將SNAP-10A 送入太空，使其成為美國第一個也是唯一的空間核反應堆電源系統。SNAP-10A 采用熱中子堆結合溫差發電技術路線，電功率約0.5 kWe，熱電轉換效率僅為1.6%，它為衛星平臺提供電能，在軌運行了43 d。隨著20 世紀70 年代美國空間政策重心的調整，SNAP 計劃被終止。

1983 年，美國提出戰略防御計劃（SDI），催生出了SP-100 空間核反應堆電源，作為其空間能源供應方案。SP-100 采用溫差發電的鋰冷快堆技術路線，初期電功率為100 kWe，后調整至20～40 kWe。通過結合離子電推力器，SP-100 可被用于火星和小行星探測等多類型任務。1989 年，美國提出以重返月球和登陸火星為目標的太空探索倡議（SEI），曾提出了基于核電推進的無人探測與貨運方案（基于SP-100 空間核反應堆）。SP-100 計劃于1994 年隨著冷戰結束而終止。

2003 年，美國實施“普羅米修斯”計劃，第一階段的任務是利用核電推進系統進行木星衛星探測，軌道器稱為JIMO（Jupiter Icy Moons Orbiter）[11]。JIMO 設計壽命20 a，采用高溫氣冷快堆結合布雷頓熱電轉換的方案，電功率約200 kWe，配備比沖大于6 000 s 的離子電推力器，其外形布局如圖4 所示。2006 年普羅米修斯計劃由于政策調整而被終止。

圖4 美國JIMO 核動力航天器方案示意Fig.4 Illustration of the JIMO nuclear spacecraft

2006 年至今，美國重點開展經濟和技術更加可行的星球表面用核反應堆電源（FSP）研究。FSP 系統規劃設計為數十千瓦級，用于月球或火星表面的基地供能。此外，千瓦級電功率的核電源也在同步發展，且隨著斯特林技術的突破進展迅速。2017 年底至2018 年初，美國NASA 與國家能源局順利完成了千瓦級星表基地用空間堆電源系統Kilopower 的地面樣機測試，驗證了系統設計的合理和可行性，奠定了后續工程應用的堅實一步。Kilopower 核電源系統質量約400 kg，采用鈉金屬熱管冷卻堆結合斯特林熱電轉換技術路線，電功率1～10 kWe，發電效率為24%，期望壽命15 a，通過模塊化組合可滿足未來月球/火星基地能源需求。

1.3 歐盟發展情況

除了美俄以外，歐洲的法國、德國和意大利等國在過去的數十年里也開展了空間核動力技術探索和概念研究。近年來，歐盟委員會支持了HiPER、DiPoP 和MEGAHIT 3 個空間核電推進項目[12]。其中，DiPoP 計劃的功率較低（2011—2013年，20～200 kWe），MEGAHIT 計劃的功率較高（2013—2014 年，1 MWe）。

DiPoP 計劃是一項歐洲空間電源和推進技術及其應用的研究型項目，重點研究空間核反應堆、公眾接受性原則、發射和運行流程等，其應用目標是載人火星任務、行星探索（如木星樣本返回任務和海王星軌道勘測任務），以及近地危險天體防御。

MEGAHIT 計劃是歐盟和俄羅斯聯合項目，旨在為空間核電推進航天器提供電能，該計劃中的航天器長度大于30 m，輸出電功率為1 MWe，質量大于20 t，運行壽命10 a，計劃2030 年之后執行發射任務。MEGAHIT 的任務需求包括近地危險目標（小行星）移除、深空探測、太空拖船和載人火星探測等。

1.4 國際上典型空間核電源特性參數情況

圖5 歸納總結了國際上已飛行應用（或完成地面研究試驗）的典型空間核裂變反應堆電源與放射性同位素電源系統的特性參數情況[13]，包括熱電轉換效率與熱端溫度之間關系，核電源質量比功率與輸出電源功率之間關系。

圖5 國際上典型核電源系統的效率和比功率特性Fig.5 Efficiency and specific power of typical space nuclear power

由圖5 可分析如下：如果依據熱電轉換效率（Efficiency）選擇技術方案，動態循環轉換效率從高到低依次為斯特林（Stirling）、布雷頓（Brayton）和朗肯（Rankine），靜態方案轉換效率依次為熱光伏（Thermophotovoltaic）、分段式熱電子（Segmented Thermoelectric）、熱離子（Thermionics）、熱電子（Thermoelectrics，或稱為溫差/熱電偶）。其中，熱離子和熱光伏方案一般需要較高的熱端溫度（1 200～1 300 K 以上），對材料提出了較苛刻要求。

如果依據質量比功率（Specific Power）選擇方案，對于50～100 kWe 功率以上裂變電源系統（Fission Power Systems），最佳比功率依次為朗肯、布雷頓、熱離子；對于1～50 kWe 功率范圍裂變電源系統，最佳依次為斯特林、熱電子、熱離子；對于1 kWe 以下同位素電源系統（Radioisotope Power Systems）小功率，最佳選擇依次為熱光伏、斯特林、熱電子方案。

1.5 發展特點與趨勢分析

從國際發展歷程來分析，空間堆電源發展主要有幾個特點與趨勢：

1）空間核電源早期發展的驅動力是解決航天器太陽能電源供給技術不成熟問題，當前發展的驅動力是解決缺少太陽光照和需要大功率用電的使用場景，特別是近地軌道以遠的科學探測任務和近地軌道潛在軍事應用驅動了技術的發展。

2）當前空間堆核電源目前在小功率（1～10 kWe）和大功率（100 kWe～1 MWe）兩個功率檔次分別得到國際上的重點關注。前者主要應對238Pu供應缺失問題，針對原來使用衰變能或長壽命深空探測使用場景；后者主要解決軌道運輸、星表基地建設、載人火星探測、小行星防御等大功率航天應用需求。

3）盡管受到技術、經濟或者政策等因素影響，美俄航天強國空間核動力技術發展歷經坎坷，但一直將空間核動力視為航天戰略發展方向進行長期投入和探索。數十年來，美俄通過多個研發計劃逐步提高單項技術水平，并已積累了較為豐富的工程應用經驗。未來，空間核動力技術可突破現有太陽能和化學能的極限，給人類空間探測范圍和能力帶來突破，是航天強國著力競爭發展的領域。

2 未來空間核動力需求分析

2.1 軌道物質運輸

未來我國將建設載人空間站、大型高價值地球同步軌道衛星、在軌維護綜合服務站、太陽能電站等大型/超大型空間基礎設施，涉及大質量物質軌道間的高效運輸問題。傳統貨運飛船直接向高軌運送貨物，需要攜帶質量占比40%以上的化學推進劑，采用100 kWe～1 MWe 功率量級的核電推進軌道運輸器實施運輸，可降低成本30%以上，大幅提高了大型空間設施建設和維護效益。

2.2 深空軌道轉移

未來月球/火星探測與開發，涉及人員與貨物運輸、地外資源物質返回等任務，對軌道運輸提出了高效與快速的要求。其中，物質運輸可采用較長運輸時間的100 kWe～1 MWe 功率量級核電推進方案，人員運輸可采用較短運輸時間的300 MWt 熱功率量級的核熱推進方案。美國NASA 曾對載人火星探測任務進行了分析，結果表明：在相同的飛行時間和等效速度增量下，化學推進、核熱推進、核電推進的有效載荷比分別為17.5%、37.7%、47.6%，采用核推進能夠顯著提高任務有效載荷比，從而提高任務經濟性和效能。

2.3 外太陽系和太陽系邊界空間探測

木星以外的太陽系探測任務，特別是太陽系邊界，甚至更遠深空的探測，已無法采用太陽能，必須采用核電源或核推進。雖然探測器配置功率只需0.3～10 kWe，但是航天器運行時間壽命需要20～40 a?；瘜W推進結合同位素電源，或者核反應堆電源結合電推進方案是目前最佳選擇，可滿足行星際探測任務對速度增量及儀器設備功率的需求。

2.4 空間通信與數據處理平臺供能

空間核動力航天器具有較大的電功率，部署于地球同步軌道的核動力平臺可以作為全球空間通信系統和天基數據處理系統，采用50～100 kWe 量級功率可助力獨立的全球空間信息基礎設施建設。空間通信系統可以用于移動通信數據交換、全球高速寬帶數據交換、數字無線廣播與中繼等多領域，可服務國民經濟，產生顯著的經濟和社會效益。

2.5 星表基地建設與資源開發

在地球以外的星體建立科考基地并進行資源開發利用是未來探索空間、發展太空經濟的重要方向。受晝夜交替、距離過遠、沙塵暴等影響，太陽能的利用將會受到限制。核反應堆電源可實現不依賴太陽光供給能量，環境適應能力強，可為月球、火星等基地建設與地外空間資源開發利用，提供理想的能源，所需電功率在10～100 kWe 量級。

2.6 空間碎片與垃圾清理

空間垃圾和碎片可造成航天器結構損壞、關鍵部件失效等，導致其不能正常完成航天任務。尤其在GEO 軌道上，有數百個包括不工作的廢棄航天器在內的空間垃圾，嚴重侵占著地球同步軌道資源，使得GEO 軌位及其頻率資源幾乎耗盡。鑒于GEO軌位資源的稀缺性，清理一個GEO 廢棄航天器可帶來數千萬美元的經濟效益。使用100 kWe～1 MWe功率量級核動力航天器可在高軌附近持續作業，作為太空拖船實施垃圾清除任務，每年可清除數十個不同尺度垃圾，大幅降低航天器在軌運行風險，并凈化空間運行環境。

2.7 小行星等危險天體防御

小行星防御的措施有多種，其中的重力牽引機概念基于萬有引力原理，通過利用自身質量對小行星產生影響，使其改變運行軌跡。核動力航天器作為重力牽引機，通過提前與小行星接近并伴飛可用于改變小行星既定軌跡。初步分析表明：對于直徑300 m 左右、質量1 t 量級的小行星，質量20 t 的1 MWe 功率量級核動力航天器與小行星間隔300 m距離，保持40 d 左右，利用飛行器的重力作用改變小行星軌道，可使小行星與地球的最近距離增加到100 萬km 以上，從而降低其與地球相撞的風險。

3 空間堆電源技術體制選擇分析

空間堆電源要實現應用，必須滿足在空間環境下特定任務的使用要求。通常意義上，空間堆電源應采用熱電轉換效率高、質量比功率小、可長壽命工作、少（或無）運動部件、系統安全性好、可靠性高、無需維護的系統方案。這里依據“性能優異、系統可靠、使用方便、經濟可行”4 大類準則，對空間堆電源的技術體制進行選擇。4 大類準則可進一步分解為一系列技術要求和技術指標的集合見表1。盡管技術體制選擇時，很難滿足所有的準則、要求和指標，但應在設計初期進行折衷優選?？臻g堆電源技術體制具體由核反應堆、反應堆冷卻、熱電轉換方式、排散熱方式的技術體制決定，如圖6 所示。

表1 空間堆電源技術體制選擇依據——準則、要求和指標集Tab.1 Selection basis of space nuclear power—principle，requirement and index

3.1 熱電轉換和反應堆冷卻技術體制選擇

將功率范圍、熱電轉換效率、質量比功率、使用特性分析、技術可實現性作為選擇總體技術體制的主導因素，結合前面對圖5 分析，大功率空間堆電源系統總體方案的最佳選擇為動態“布雷頓循環”體制，小功率空間堆電源系統的最佳選擇為“分段熱電子”體制。具體分析見表2。

3.2 核反應堆技術體制

反應堆能譜：空間堆應該最大限度減輕質量與體積，并在無維護（無燃料更換）條件下實現長工作壽命要求。熱中子堆雖然所需235U 少，但燃料利用率不高，只適用于低功率的空間任務，堆芯還需要中子慢化劑，增加了質量?？熘凶幼V需235U 多，但適用于長壽期、高功率空間任務，其結構緊湊，簡化了反應堆物理設計，缺點是中子通量更高，使得堆內部組件受到更強的中子輻照，對材料適用性、屏蔽防護提出了更高要求。這里大功率方案則主選95%以上富集度235U 的快堆，而小功率方案可選快堆，也可選熱堆。

圖6 空間堆電源技術體制分類Fig.6 Classification of space nuclear reactor power

表2 空間堆電源熱電轉換技術體制選擇過程Tab.2 Selection of energy conversion for space nuclear reactor power

核燃料組件：目前國內外主要可選的燃料組件有二元陶瓷燃料UO2、UC（UC2）、UN 和多元復雜“碳氮-高溫金屬-鈾化物”UxZr1ˉxC1ˉyNy，鈾合金U10Mo、UZr、UZrH 和金屬陶瓷Cermet 燃料。燃料組件選擇主要考慮其物理特性，高溫和輻照條件下，燃料的腫脹和裂變氣體釋放，對結構和熱電轉換的影響，以及燃料熱穩定性和壽命期工作穩定性。經過綜合比較，二元陶瓷燃料中UN 具有較高燃料密度、較高熔點、適度熱導率、較小輻照腫脹和較低裂變氣體釋放量等優點[1]，是大功率方案的優選燃料，其缺點是國內外積累的考核數據較少，替代方案是采用成熟的UO2見表3。對于小功率方案，可選擇技術相對成熟的鈾鉬合金U10Mo燃料。

表3 核燃料組件主要物理特性Tab.3 Physical property of nuclear fuel

3.3 材料技術體制

核反應堆功能材料：中子反射材料可采用具有充分數據支撐的Be 和BeO；中子吸收材料可采用的B4C。屏蔽材料需要分別針對高能中子和伽瑪射線進行屏蔽，經過陰影屏蔽層后，實現中子劑量小于1011～1012n/cm2和伽瑪射線劑量小于25 K～1 M Rad-Si[11]。中子屏蔽可采用輕元素材料LiH和含B4C 復合材料，伽瑪射線屏蔽采用重元素貧鈾（238U）和W、Ta 等材料。

核反應堆結構材料：燃料組件包殼需要采用高溫耐輻射結構材料，目前針對2 000 K 左右溫區可選的材料包括MoNbZr、Nb1Zr、Mo-Re 合金；反應堆結構殼體和載熱介質輸出管道，可采用ODS 鋼和其他高溫鎳基合金。這些材料依據使用溫區和輻照環境，均應得到相應輻照試驗的驗證。

熱電轉換核心材料：布雷頓循環核心材料是渦輪葉片材料，需采用耐高溫、抗蠕變合金材料或復合材料，需要根據工作壽命、渦輪設計方案和葉片材料水平合理選擇葉片工作溫度（1 200～1 300 K）。目前，國內可選材料為航天發動機鎳基單晶高溫合金DD6、DD9等，以及碳化硅陶瓷材料，陶瓷材料需解決成型與處理困難問題。所有這些渦輪材料需要工作環境下，考核其環境和壽命適應性。分段熱電子核心材料是溫差發電材料，傳統方案采用Si-Ge 材料，其效率較低（效率低于6%左右），先進材料方案是基于方鈷礦，以材料CoSb3、La3ˉxTe4、CeFe4ˉxRuSb12、YbMnSb11組 合，熱電轉換效率為10%～15%[13]，如圖7所示。

3.4 排散熱技術體制

大功率布雷頓方案：空間排散熱只能通過熱輻射形式，排散熱采用第二回路實現散熱，核心指標是散熱溫區選擇，溫度高、輻射散熱器面積和質量可減少，反之則散熱器面積和質量增加?？蛇x的排散熱方案包括“泵驅流體回路+熱管+輻射板”和“泵驅流體回路+液滴冷卻”。前者流體可選擇去離子水，管道可選擇鈦合金，輻射散熱板可選擇CˉC 復合材料或基于石墨烯的高導熱、高輻射系數材料；后者流體可選擇高表面張力和輻射特性的硅油，管道同樣可選鈦合金，需要研發液滴霧化器和收集器[3]。

圖7 分段式熱電子典型方案Fig.7 Illustration of segmented thermoelectric scheme

小功率熱電子方案：小功率分段熱電子方案，將熱量從反應堆中載出，可采用堿金屬（Li、Na、K）高溫熱管，各種堿金屬特性見表4[1]。每根熱管各自成為一個獨立的熱傳導回路，優點是結構簡單、避免單點故障，無電磁泵具有非能動安全性，有助于停堆后的余熱排出，且無需專門解凍，密封要求較低，但是受傳熱效率的限制，只適用低功率堆型（＜10 kWe）、需要研制長工作壽命的高溫熱管。對于更小功率堆型（＜1 kWe），甚至可以采用高溫、輕質、高導熱材料，直接通過導熱方式載出熱量，散熱低溫段，可通過低溫熱管連接散熱器，實現輻射散熱，缺點是質量較大，或者采用熱光伏方案[13-14]。

4 關鍵技術分析

空間核動力航天器系統深度融合了航天與核能兩大領域，顯著區別于傳統航天器，系統設計涉及核物理、輻射安全、力學、熱學、電磁學、信息、控制、材料等學科，需突破多方面關鍵技術，以逐步實現新型復雜航天器系統的工程應用，涉及的關鍵技術如下。

4.1 小型安全可靠空間核反應堆技術

空間核反應堆系統應盡可能小型化和輕量化，以滿足航天任務對尺寸和質量的約束。為保證航天器長期穩定的能源供給，反應堆系統還應具有極佳的安全特性和自主運行能力（包括一定程度的容錯與自修復能力），堆芯的合理設計涉及中子物理、熱工水力、安全防護的仿真與驗證。此外，還包括核燃料組件、反射層/吸收層/屏蔽層材料、包殼、結構材料在內的制備與高溫抗輻照驗證等也是需要攻關的關鍵技術。

4.2 高效緊湊熱電轉換技術

采用閉式高溫氣冷布雷頓熱電轉換的大功率核電源系統，涉及的關鍵技術有長壽命氣浮軸承、高溫渦輪抗蠕變材料與驗證、力矩補償與減震設計、密封技術、高速發電機技術、高效率壓氣機、高效傳熱回熱器等。采用分段式熱電子轉換的小功率核電源系統，涉及的關鍵技術有高效半導體熱電轉換材料、結構設計、材料抗輻照驗證等。

4.3 高效輕質空間輻射散熱技術

排散熱分系統是核動力航天器尺寸最大的部件，其基本單元是由流體回路、驅動泵、熱管、散熱面板等組成。關鍵技術涉及輕質熱管、高輻射性復合材料面板、流體回路可折疊柔性管路、長壽命驅動泵和緊湊型冷卻換熱器等，前沿先進技術涉及液滴式散熱技術。

4.4 長距離大承載伸展機構技術

核動力航天器發射時處于收攏狀態，在軌運行時需通過伸展機構展開，將反應堆與航天器載荷隔開至一定的安全距離，降低輻射影響，同時支撐散熱器面板展開工作。伸展機構既要保證足夠的展開距離，又要保證可靠的結構剛性連接和管路、電氣的連接，同時符合航天器控制要求。系統主要涉及的關鍵技術包括大型高可靠性伸展機構展開技術、可靠鎖定與剛性保持技術、管路與電氣可靠性連接密封技術等。

4.5 大功率電源管理與長距離傳輸技術

電源調節與管理系統需要對電能進行集中管理，將電能從熱電轉換系統長距離傳輸并分配給電推進系統、儀器設備及其他有效載荷。對于大功率核動力航天器，由于熱電轉換裝置輸出的是高壓、高頻特性的交流電，電源管理系統需將交流電轉換為高品質的直流母線輸出并為負載供電，并需考慮起動/變工況/關機一系列過程的控制問題，涉及的關鍵技術包括超高壓大變比寬輸出功率變換、高效高壓大功率交/直流變換、交流發電機變頻調壓、升降功率調節策略、超大功率低損耗傳輸等。

表4 3 種堿金屬熱物理性質Tab.4 Physical property of three alkali metals

4.6 啞鈴型大撓性航天器姿態控制技術

核動力航天器整體尺寸和質量大，且質量主要集中于航天器兩端，呈“啞鈴”形構型，具有大跨度、大撓性的特點。航天任務中由姿態機動、環境力矩和對接沖擊等引起的振動很難消除，且容易與姿態控制形成耦合。對于該類大跨度大撓性航天器，振動抑制和姿態控制是一項關鍵技術。

4.7 大功率高效電推進技術

長周期的空間任務特點要求電推進系統性能穩定可靠，且具有較高的功率、推力和較小的尺寸、質量。對于未來大功率電推進系統，需要研究的關鍵技術包括高可靠設計技術、高比沖推力器技術、磁路位型優化技術、大功率推力器熱設計技術、特高壓大功率電源處理單元技術、大功率推力器長壽命設計與地面驗證技術等。

5 結論

1）航天推進與能源動力技術采用傳統的化學能、太陽能已達到極限能力水平，基于空間核反應堆的核動力是突破這種發展極限的最有潛力和價值的能源形式，其發展需要航天與核能兩大領域的大力協同。建議我國空間核動力技術發展遵循3 個先后關系，“先小功率、后大功率”“先電源、后推進”“先核電推進、后核熱推進”。

2）基于空間核反應堆電源可為航天器載荷和電推進系統提供充足電能，適用于難以獲取太陽能或對電功率需求較大的空間任務。若空間堆核電源輸出功率為100 kWe～1 MWe 范圍，并統一技術體制，建議發展“高溫氣冷快堆閉式布雷頓循環”技術體制；若功率為1～10 kWe 范圍，同時實現25 a 以上長壽命工作需求，建議發展分段熱電子（高效溫差熱電偶）技術體制，或者先進的熱光伏技術體制。

3）基于核能的小推力（牛頓量級）高性能（比沖5 000～10 000 s）電推進技術和高性能核熱推進技術（比沖1 000 s 量級）是未來推進領域需要發展的關鍵技術。

4）空間核動力技術涉及多方面的研究難點和關鍵技術，具有研究難度大、研發周期長、資金投入大的特點，需在國家頂層牽引下，聯合國內航天與核工業優勢單位，循序漸進開展方案論證、技術攻關、地面試驗和飛行驗證，逐步提高空間核能應用技術成熟度，為未來航天任務提供有力支撐。