基于氫化鎂的核電/核熱雙模共質空間核動力技術

林慶國，王浩明，程 誠

（1.上海空間推進研究所，上海 201112；2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112）

0 引言

隨著空間任務的多樣性和復雜性的發展趨勢，未來空間任務對能源和動力的需求日益提高。NASA 針對至2055 年前的民用航天任務需求，從四個維度進行了分析論證[1]：①外太陽系，包括火星、遠行星(土星、天王星、海王星、冥王星)以及小行星、彗星無人探測；②太陽系，無人和載人的火星及其衛星探測、載人/貨運飛船；③地月軌道，永久有人月球前哨站、有人月球基地、無人月球觀察站陣列、電推進飛船；④地球軌道，GEO（Geostationary Orbit）通信平臺、GEO 駐留站/基地、雷達衛星、微重力材料加工廠、新型空間站。研究指出，人類對于月球和火星的探測任務，所需能源達百千瓦到兆瓦量級，高性能電推進飛船電功率將達2～10 MW，而對于無人深空探測飛行器所需功率為百千瓦量級。國際原子能機構(IAEA)同樣針對未來高功率民用航天任務的能源需求進行了綜述。IAEA 將未來民用航天任務根據其能源需求等級[2]，分為了5 個部分：①百千瓦級的通信與電視直播任務，包括高容量衛星通信系統、移動對象全球通信系統、高性能信息系統、高解析度多通道電視直播等；②亞兆瓦級的環境保護任務，包括放射性廢料處理、全球環境監測、空間垃圾清除等；③兆瓦級的空間發電及產品處理任務，包括飛行器遠程供電、微重力環境下的產品加工；④兆瓦級的科學研究，包括空間通信基礎研究、行星探測、火星任務等；⑤兆瓦級以上的全球空間任務，包括地球供能、小行星能源開采、臭氧層修復、溫室效應控制等。

除了民用航天任務之外，各類空間武器的發展也對空間能源提出了更高的要求。美國發布的戰略防御倡議(SDI)，將各式空間武器對能源的需求分成了3 個等級[3]，包括基態、警戒態和爆發態。對于包括紅外、雷達、激光和粒子束在內的各類武器在其爆發態時，對能源的需求大幅提高，遠大于基態和警戒態，甚至可能達到兆瓦至百兆瓦量級。

不論是民用航天任務，還是空間軍事飛行器，目前的能源供給主要依靠太陽能作為一次能源的發電器。利用太陽電池陣獲取并轉化為電能，對于小電功率需求的飛行器基本適用，但是無法滿足日趨增大的各類空間任務電功率需求；同時展開式太陽電池陣在空間軍事飛行器打擊過程中，運動產生的撓性問題會增加飛行器指向精度難度，增加作戰隱身難度；深空探測飛行器地影區太陽能電池陣無法正常供電，需要大型蓄電池為飛行器提供能源，并且太陽能隨著飛行器與太陽距離的增大而快速衰減。因此，按照未來空間能源大功率、長壽期、深遠空的發展要求，核能是唯一的解決途徑。

在空間動力方面，對于推進系統而言，目前空間飛行器大多采用化學推進的液體雙組元模式，其比沖基本達到理論極限，無法實現數量級的增加，對于軌道轉移的快速性、經濟性存在一定約束。因此，發展高比沖、大推力的高水平推進系統是空間動力的必然發展趨勢。使用分子量較小的氫作為推進工質是提高化學推進比沖的重要手段，而使用氙、氪、氬及鎂、鋅、鉍等氣態或者固態工質的電推進系統能夠將比沖進一步提高一個數量級[4]。無論是氫的熱推進，還是氣態/固態工質的電推進，要實現高比沖、大推力的目標，對熱源的品位和功率要求都很高。以噸級的氫核熱發動機為例，所需熱功率約50 MW，而10 牛級的電推進所需電功率大約1 MW，同時，還需要通過熱電轉換將熱能首先轉化為電能。因此，空間動力系統同樣需要以核能為基礎，實現以氫為工質的高比沖、大推力系統，同時，也可以結合高效熱電轉換進行超高比沖的核電推進。

以核為基礎的空間能源動力系統同時滿足未來空間能源系統大功率、長壽期、深遠空的要求，同時也滿足了空間動力系統高比沖、大推力的發展趨勢。然而，傳統的核動力系統往往推進模式單一，一般以核熱推進或者核電推進二選一的模式進行，如俄羅斯火星計劃中采用液氫工質的68 kN 核熱推進發動機[5]，以及“普羅米修斯計劃”中以氙氣為工質的200 kW 大功率電推進系統[6]。同時，也存在兼顧發電和小推力推進功能的雙模式系統，如NASA創新概念項目中提出的具備27 kW 供電能力和26.39 N 推力的雙模式系統[7]。總體而言，傳統核動力系統工作模式單一，無法滿足未來飛行器多任務適應性的特點。

1 推進工質

1.1 核熱推進

1.1.1 液氫

氫由于其分子量小，常用于核熱推進的工質以獲得高比沖(～900 s)。從NOVER/NERVA 計劃[2]和RD0140 核熱發動機[5]，以及后期的火星DRA5.0計劃[8-9]，均采用了液氫作為工質。液氫雖然性能高，但其沸點低(～20 K)，容易受熱蒸發，因此，液氫的長期、高密度、可靠存儲仍然存在諸多難點。針對空間應用的核動力飛行器，液氫作為推進工質存儲的主要問題是空間太陽輻射、黑背景等復雜熱環境導致儲箱內的液氫出現熱分層，同時微重力條件下對流作用減弱，熱分層難以消除，最終使得貯箱壓力升高。

為了在飛行過程中保證液氫貯箱的額定壓力，避免貯箱破壞，一方面可采取將蒸發的氣態低溫推進劑排出箱外，這不僅造成了推進劑的浪費和總沖的減小，而且排氣還會干擾飛行姿態；另一方面可通過被動熱防護和主動制冷的方式[10]，降低液氫蒸發速率甚至達到零蒸發(Zero Boil-Off，ZBO)。被動防護主要通過絕熱材料、遮擋隔熱、連接隔熱技術減小漏入熱量，同時結合熱力學排氣等壓力控制技術的實現。現有的被動防護技術能夠將液氫的月蒸發量控制在3%。然而，僅靠被動熱防護無法滿足數月或者更長時間的空間任務，此時必須采用低溫制冷機這一主動制冷方式。低溫制冷機的效率一般低于5%(見表1)，并且隨著冷端溫度的降低而降低，因此，制冷機的加入除了增加系統結構質量之外，還需持續消耗電功率。

表1 低溫制冷機參數［11］Tab.1 Cryocooler charateristics［11］

綜上所述，氫的核熱推進能夠獲得高比沖，但是現有的存儲技術需要通過絕熱材料減少熱漏率或者采用低溫制冷機進行熱量移除，因此，除液氫工質本身之外增加了許多圍護結構，導致系統復雜性、結構質量以及功耗的上升，難以滿足核動力飛行器5～10 a 甚至更長壽期的運行特點。

1.1.2 固態儲氫材料

包括高壓氣態儲氫和低溫液氫的儲氫方式，需要高壓或者低溫的特殊儲存條件和外圍設備，從而限制了儲氫的質量分數。例如，采用碳纖維纏繞的高壓氣瓶(35～75 MPa)，儲氫質量分數為5%～7%；在高絕熱的杜瓦瓶存儲液氫時，儲氫質量分數約為5.5%[12]。因此，傳統的儲氫方式的儲氫密度和安全系數較低。固態儲氫物質由于其本身的熱穩定性，能夠在常溫常壓下長期儲存[12]，具備較好的安全性，滿足核動力飛行器長壽期的要求。典型的儲氫材料及其性質見表2[14-16]。

1.2 核電推進

電推進所使用的工質種類較多[17]，包括鋰、鋅、鎂、鉍、碘等固體工質，汞、銫、氨等液體工質和氬、氪、氙等氣體工質。目前國內的電推進工質仍然以氙氣為主，用于霍爾或者離子電推進，雖然氙氣可控性較好，但是在空間需要進行7 MPa 左右的高壓存儲。固體工質一般存儲密度較高，便于存儲。國外對于氙氣之外的一些固體工質開展了一系列研究[18]，從比沖、速度增量、存儲密度等方面對比發現，部分金屬工質相比氙氣在性能上具有優勢如圖1 所示。

圖1 不同工質與氙氣性能對比的相對值Fig.1 Relative magnitude of comparison between propellant and Xe

2 氫化鎂

2.1 工質特點

綜合考慮核熱/核電推進工質特點以及存儲難度，選擇氫化鎂作為多模式核動力技術的工質。氫化鎂的儲氫密度可達7.67%，單位體積儲氫量高于高壓儲氫和液氫。同時，放氫溫度大于350 ℃(在空間環境能夠長期保持穩定)，放氫產物為氫氣和單質鎂，分別可作為核熱推進和核電推進的工質。氫化鎂可以通過不同的分解溫度得到不同壓力的氫氣，即在高溫下能夠直接分解出高壓氫氣，相比液氫的核熱推進系統可省去氫渦輪泵這一增壓設備。

表2 典型儲氫材料性質Tab.1 Properties of typical hydrogen storage materials

2.2 加熱分解特性

氫化鎂加熱可分解生成鎂和氫氣的方程式[19]：

其反應溫度與平衡壓力關系如圖2 所示。圖2中曲線將圖分成了鎂和氫化鎂兩部分，當系統狀態點在曲線上方時，進行吸氫反應；當系統狀態點在曲線下方時，進行放氫反應。

根據分解反應方程式反應焓以及能量守恒，理想狀態下即反應吸收熱能全部用于打開鎂和氫之間的化學鍵，產生每摩爾氫氣需要熱量為74.34 kJ，系統放氫速率和熱功率成正比。由此，在理想狀態下每kW 加熱量可以得到0.027 g/s 的氫氣流量。理論上該流量與溫度壓力無關，不同放氫溫度和壓力下，輸入相同熱功率得到的氫氣流量相同，但是得到氫氣的溫度和壓力有所區別。實際放氫過程與溫度、壓力以及氫化鎂的制造工藝都有關系，在熱功率一定的情況下，溫度越高，壓力越低，放氫流量越接近理想狀態。

圖2 鎂/氫化鎂系統平衡壓力與溫度的關系Fig.2 Relationship between equilibrium pressure and temperature in Mg/MgH2system

3 雙模共質核動力系統

氫化鎂雙模推進系統以氫化鎂為推進工質，利用反應堆熱能分解產生氫氣和鎂，其中氫氣作為核熱推進工質，鎂可作為電推進或者核熱推進工質。因此，結合高效熱電轉換，可形成3 種推進模式，即氫氣的高比沖核熱推進、鎂的大功率超高比沖電推進以及鎂的大推力核熱推進。系統原理圖如3所示。

圖3 系統原理圖Fig.3 System schematic diagram

4 工作模式及性能計算

基于氫化鎂的多種工作模式均以空間核反應堆熱源為基礎，本文按反應堆總熱功率10 MW 計算，進行不同工作模式下系統供能及推進能力的計算。

4.1 鎂核電推進模式

以鎂為電推進工質的研究工作主要由密歇根科技大學、Busek 進行[20]。按照理論計算，鎂的電推進比沖可達氙氣的2.3 倍，密歇根科技大學在BPT-2000推力器上進行了鎂金屬推進劑性能試驗，試驗結果顯示，推力功率比可達18 mN/kW，比沖為2 760 s；同樣的推力器在更換氙氣工質后，比沖為1 500 s。Busek的鎂工質電推力器在鎂流量1 mg/s 時，測得推力40 mN(計算比沖4 000 s)。因此，鎂作為電推進工質，其比沖完全有可能達到7 000 s 甚至更高。在電推進模式下，反應堆熱能絕大部分用于熱電轉換，剩余部分用于鎂的汽化，以鎂蒸汽的形式供給電推力器。電推力器推力與比沖、電功率關系如下：

式中：Pd為電功率；ηb、ηv分別為羽流擴散角效率和電壓效率(一般的，ηb=0.8，ηv=0.95)；Isp為比沖。按照10 MW 的反應堆熱量和30%的熱電轉換效率，計算得到電推進推力約47 N。

4.2 氫氣核熱推進模式

氫氣從作為核熱推進的工質具有高比沖的特點。按照比沖計算公式，可以推導在一定加熱功率下，加熱至不同溫度時氫氣的流量和推力如下：

由公式可推出，當分解出的氫氣溫度一定時，氫氣推進溫度越高，推力越小。

根據氫氣的使用方式，可分為即時放氫和高壓儲氫兩種。前者是指氫化鎂的分解和氫氣的核熱推進同時進行，以獲得連續的推力；后者是指分解與加熱分步進行，通過氫氣儲罐暫存分解出的氫氣，在熱功率一定的情況下提高推進時氫氣的瞬時流量，提高推力。

1)即時放氫。即時放氫的工作模式必須滿足：①分解與加熱同時進行；②分解速率等于加熱速率。據此可得到

式中：Q為反應堆總熱功率(10 MW)；Q1為氫化鎂分解耗熱量；Q2為氫氣加熱耗熱量。

圖4 為即時放氫模式下，氫氣流量、推力與推進溫度之間的關系。熱功率一定時，隨著推進溫度的升高，比沖不斷提高而氫氣流量逐漸下降，在1 800 K 的推進溫度下推力達到極大值1 196 N。

圖4 即時放氫模式下推力、流量與推進溫度的關系Fig.4 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in instant dehydrogenation mode

2)高壓儲氫。10 MW 加熱量持續分解氫化鎂得到氫氣流量上限為243 g/s，高壓儲氫通過存儲氫化鎂分解得到的高壓、高溫氫氣，使得在推進時的氫氣流量能夠超過其上限。高壓儲氫模式下，氫氣推進時的流量上限取決于總熱功率和推進溫度與儲氫溫度間的差值。在反應堆10 MW 加熱量的約束條件下，可以得到不同推進溫度下氫氣的流量及推力，如圖5 所示。從圖5 中數據可見，通過高壓儲氫的模式可以在相同的推進溫度下將推力提高2～6 倍。需要注意的是，高壓儲氫模式需要緩沖罐存儲分解出來的氫氣，因此，緩沖罐大小決定了單次工作的時間，該模式下系統能夠以長脈沖的形式提供動力。

圖5 高壓儲氫模式下推力、流量與推進溫度的關系Fig.5 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in hydrogen storage mode

4.3 鎂核熱推進模式

鎂作為核熱推進工質，在氫化鎂分解完后，反應堆熱量均用于將金屬鎂熔化后加熱形成鎂蒸汽。鎂的基本性質見表3。

與氫的核熱推進類似，鎂的核熱推進同樣可以分為即時推進和液化推進兩種模式。

1）即時推進

表3 鎂的基本性質Tab.3 Basic properties of magnesium

即時液化推進模式須滿足：①單位時間液化量等于氣化流量；②總功率一定。不同推進溫度下鎂的流量與推力變化如圖6 所示。從鎂的性質來看，加熱功率主要用于氣化(見表4)，因此，在總熱功率一定的條件下，推進溫度升高導致的流量衰減并不大，而比沖能有效得到提高。因此，在鎂做熱推時，提高推進溫度可同時提高比沖和推力，如圖6 所示，在2 800 K 時對應比沖223 s，推力2 638 N。

圖6 即時推進模式下鎂核熱推進的推力、流量與推進溫度的關系Fig.6 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in instant mode

表4 鎂加熱過程各階段熱量占比Tab.4 Heat proportion in each period during magnesium heating

2）液化推進

如采用整體液化后推進的模式，此時需要較長的加熱時間，將鎂全部液化，隨后通過反應堆氣化后實現推進。10 MW 加熱量下單位質量鎂的熔化時間0.93 s/kg，不同推進溫度下鎂的比沖、推力如圖7 所示。與即時液化推進模式相同，由于氣化潛熱較大，推力和比沖在1 600～2 800 K 的推進溫度范圍內，隨著推進溫度而升高，在2 800 K 時，推力2 773 N，比沖223 s。

4.4 推進模式切換

飛行器在不同任務或者任務不同階段可根據需求切換推進模式，而模式切換的關鍵在于不同模式下所用工質的供給。由于氫化鎂分解同時產生氫氣和金屬鎂，需要通過工質儲供系統將氫鎂進行氣固分離，如進行氫氣核熱推進時，將分解出的金屬鎂進行分離和存儲；使用鎂工質進行電推進或者熱推進時，分解出的氫氣進行暫存。模式切換過程中，反應堆熱能根據不同模式對熱能的需求通過載熱劑（反應堆冷卻工質）管路進行分配：①在鎂的核電推進時，反應堆熱能用于熱電轉換和鎂的加熱；②在氫氣核熱推進時，反應堆熱能用于氫化鎂分解和氫氣加熱推進，推進用氫氣作為反應堆冷卻工質之一；③在鎂的核熱推進時，反應堆熱能用于氫化鎂分解和金屬鎂的加熱推進，鎂作為反應堆冷卻工質之一。

5 系統關鍵技術梳理

基于氫化鎂的雙模共質核動力系統涉及空間核反應堆、大功率熱電轉換、工質儲供以及各類推力器，關鍵技術及相應技術方案梳理如下：

1）氫化鎂加熱分解技術

持續獲取穩定的氫氣流量關鍵在于分解加熱器的設計，現有的加熱方式常采用電加熱，而在核動力系統中，必須使用反應堆冷卻劑(氣體或者液態金屬)，因此，儲箱內部加熱管道的設計及配置優化是穩定、高效分解氫化鎂的關鍵。

2）工質儲供技術

針對不同推進模式對工質的種類、流量、壓力的不同要求，解決工質分離、儲供的問題，包括：微重力條件下的氫鎂氣固分離技術、高壓儲氫技術、電推進工質的小流量高精度供給技術、液態鎂高溫增壓泵技術。

3）金屬工質大功率電推進技術

現有的鎂的電推進技術仍然存在運行穩定性等問題，需要進一步解決推力器結構優化、推力器內部溫控技術(防止形成固態鎂)以及防沉積技術。

6 結論

基于氫化鎂的雙模共質空間核動力技術采用熱穩定性好、儲氫密度高的氫化鎂作為飛行器唯一攜帶工質，利用反應堆熱能進行分解產生氫氣和鎂，解決了空間長時間、高密度穩定儲氫的問題。通過反應堆的熱能的利用，可形成大功率超高比沖核電推進(14 N/MWe，比沖7 000 s)、高比沖氫氣核熱推進(～120 N/MWth，比沖900 s)以及大推力鎂核熱推進(～278 N/MWth)的多種工作模式。基于該技術的核動力飛行器可以通過切換模式，得到不同推力和比沖的動力輸出，提高了飛行器的任務適應性。