模塊化核動力航天器設計及其關鍵技術

王 釗，夏陳超，康志宇，唐生勇，于 宏

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.上海航天科技集團公司 第八研究院空間科學總體部，上海 201109；3.中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究部，北京 102413）

0 引言

空間核動力目前在國外已經開展空間應用，而在國內則處于方案探索及關鍵技術攻關階段。已有文獻主要針對以下方面開展研究：文獻[1]在梳理空間核動力技術方案的基礎上，初步探討空間核動力技術發展脈絡，分析未來發展方向；文獻[2]針對同位素電源、反應堆電源及核推進在深空探測領域的應用情況和發展情況開展研究，并針對深空應用的技術問題進行展望。本文在總結國外發展歷程趨勢的基礎上，梳理空間核動力航天器的研制特點，結合模塊化航天器內涵，提出模塊化核動力航天器的設計方案，并針對模塊劃分模式、體系構建模式進行探討，梳理模塊化核動力航天器技術難點，為未來不同功率量級核電源空間應用提供參考。

1 核動力航天器概述

空間核動力系統是由電源系統和推進系統構成的組合系統，利用核能轉化為熱能，熱能轉化為電能，電能轉化為動能，從而為航天器提供電源與推進動力。

核能一般直接轉化成熱能，熱能轉化為電能的方式包括半導體溫差、熱離子等靜態轉化發電，以及基于工質做功的布雷頓、斯特林等動態循環發電方式。核能轉化為推進動能的方式，一種是直接利用熱能加熱工質（例如氫）實現“核熱推進”，另一種是利用核能轉換成的電能供給電推進系統實現“核電推進”，如圖1 所示。本文主要針對空間核反應堆電源及核電推進開展研究，研究對象為以核反應堆電源為航天器平臺與載荷提供電能，同時支持電推進進行軌道機動的一類核動力航天器（以下簡稱空間核動力航天器），暫不針對同位素電源和核熱推進開展研究。

圖1 空間核動力系統［3］Fig.1 System of nuclear power［3］

空間核動力航天器具有不依賴太陽光照、能量自主產生、功率范圍大、能量密度高、環境適應性強等優勢，可大幅提高空間可用電功率水平和使用時間，適用于難以獲取太陽能或對動力需求較高的空間任務。因此，核動力技術與大范圍軌道轉移、大功率遙感探測、深空探測任務、星表基地建設等空間任務相結合，將極大提升當前任務能力水平，形成突破。

自20 世紀50 年代起，各國便開始開展空間核動力發展計劃[4]。截至2004 年，美國共發射了47 個帶有空間核電源的航天器，其中包括46 個放射性同位素電源（RTG）航天器和1 個核反應堆航天器；蘇聯/俄羅斯共發射了43 個帶有空間核電源的航天器，其中包括6 個放射性同位素電源航天器和37 個核反應堆航天器如圖2 所示。目前還沒有發射帶有核熱推進裝置的航天器[5]。

圖2 已發射的空間核反應堆航天器統計圖Fig.2 Statistical chart of launched nuclear power spacecraft

研究美、俄已發射及在研核動力航天器項目的發展趨勢，可以得到以下兩點啟示：

1）不同功率量級存在最優技術方案。發展空間核動力系統，首先需要根據未來需求，合理確定技術發展路線和重點發展途徑，不同功率的電源需求，采用不同技術方案，實現系統性能最優。對于幾十瓦到數百瓦功率范圍，美、俄均采用放射性同位素電源。對于幾千瓦到百千瓦的功率范圍，美、俄早期均采用液態金屬冷卻反應堆和溫差發電的技術方案，后期美國因斯特林發電技術獲得重大突破，開始重點研發液態金屬冷卻反應堆配斯特林循環發電的方案；而憑借在熱離子發電方面的技術進步，俄羅斯開展了采用液態金屬冷卻反應堆配熱離子發電的方案研究。對于幾百千瓦到兆瓦級功率范圍，美、俄均認為氣冷快堆配布雷頓循環發電的技術方案最優。美、俄在選擇具體技術方案時，并不單純追求高技術指標，而是綜合考慮了技術先進性、系統可靠性、運行經濟性和使用方便性，盡量做到繼承與發展、先進與現實的有機統一。

2）核動力航天器總體設計采用相似功能劃分模式。俄、美計劃開展空間核動力飛行在軌演示驗證，而俄羅斯針對地球軌道經濟型貨運任務[6]，美國更側重深空探測領域，應用方向及任務流程不盡相同，因此，總體方案略有不同，但是在功能劃分方面采取同類模式：航天器總體構型方面都采用在軌可伸展式桁架機構；反應堆電源方面都選擇高效率長壽命的空間核電源技術，如氣冷快堆結合布雷頓熱電轉換方式；在推進系統方面目前都以電推進為主推進形式開展項目研究。

2 模塊化核動力航天器設計

2.1 模塊化的概念

模塊化設計方法起源于20 世紀初，最初應用于建筑行業，后被應用于機械制造、汽車產品制造、航空產品制造及軟件產品制造等行業。美國國家航空航天管理局（NASA）于1962 年最早提出多任務模塊化航天器（MMS）概念[7]，采用模塊化設計將飛行器分系統進行模塊化劃分，設置標準組件。航天器模塊化設計的內涵就是要求將整個航天器依據功能合理劃分為多個不同的模塊，這些模塊物理獨立、功能獨立，通過特定的規則組合在一起，共同實現航天器的整體功能。同時，各個模塊要求進行標準化設計，即針對同一功能，形成系列，滿足不同需求指標的模塊，且系列模塊具有統一的標準化機械、電源、信號、熱控和流體管路接口，保證同系列模塊之間的可替換性。模塊的組合規則來源于特定航天器的功能及指標要求，通過對組合規則的控制及對功能模塊的優化與配置，可以形成滿足多種飛行任務的航天器。

模塊化航天器具備以下優點：

1）成本最優。利用模塊化設計理念，將航天器典型分系統進行模塊劃分，并設置標準接口，因此，易于組裝，易于測試，大大縮短航天器組裝和測試的時間。

2）易于維護修理。當航天器某一模塊發生故障，可以通過修理或模塊更換、模塊替代的方案，使航天器恢復性能。因此，模塊化分系統的可更換性，以及不同飛行計劃分系統模塊的互換性，保證了MMS 的在軌維護。

3）快速可靠性設計。對于常規分系統，如姿態控制分系統，可進行標準化設計，針對不同任務要求，適當修改軟件，即可應用于不同衛星。

4）功能可擴展。設計通用化平臺，針對性改造部分分系統，即可完成不同應用需求。如NASA 利用具有成功飛行經驗的MMS 平臺研制探險者號平臺，兩平臺結構相似，針對天線指向系統和通信數據系統功能稍加改進，即可實現科學探測功能。同時探險者號是世界上第一個可重復使用的空間平臺，也是第一個可在軌更換科學儀器的平臺。

2.2 空間核動力航天器研制特點分析

空間核動力航天器在設計建造、運行試驗、實際應用及廢棄處理過程具有以下特點：

1）航天器系統規模龐大。空間核反應堆電源雖較地面堆質量及體積更小，但是相較于常規航天器分系統仍很龐大。俄羅斯兆瓦級核動力飛船總質量約20 t，在軌展開長度約50 m，其中，反應堆電源質量約2 500 kg，輻射散熱系統質量約6 500 kg[3]。因此，質量、長度都與常規航天器明顯不同，在構型設計及建造方面有明顯特殊性。

2）功能分區清晰。核動力航天器按照功能分為4 部分，即為航天器提供高功率持久電能的反應堆電源、用于隔開安全距離的展開機構、航天器常規分系統所在的平臺部分，以及執行任務的載荷系統。各部分功能分區清晰，彼此間強耦合較少，界限明確。

3）擴展需求強烈。空間核動力分為多種功率量級及多種技術類型堆型，同時在軌時間長，任務功能要求具備軍民融合、平戰結合的特點。因此，不論從供電功能角度來看，或是任務需求角度來看，能力擴展需求均較為強烈。

4）經費投入多。縱觀美、俄空間核動力歷年地面研究及空間應用的項目，經費投入巨大。ROVER/NERVA 計劃投入14 億美元（1972 年）；美國在SNAP 計劃上投入約8.5 億美元（1973 年）；在SP-100 計劃上，投入約12 億美元（1997 年）；普羅米修斯計劃曾預計10 a 投資30 億美元。俄羅斯研制兆瓦級核動力飛船總投資約6 億美元（2012 年）。此類都是資料可見的獨立項目，粗略估計，美國和俄羅斯在整個空間核動力航天器的研發投入均在百億美元量級[8]。

5）研制周期長。核動力航天器需要核領域與航天領域完全融合，因此，研制周期由核領域和航天領域研制進度共同決定。對于核領域而言，空間堆作為一項全新的研究領域，需要較長研制周期。①在設計方面，不同于常規地面反應堆，需要針對空間應用開展空間堆方案研究，以及可靠性、安全性、適應性研究；②需要按照國家核安全法律法規的要求進行試驗，受核安全管理部門的監督，采用的管理體系與地面反應堆相似；③高溫核燃料元件研發需要進行入堆考驗，耗時較長，至少為3～5 a，在此之后反應堆電源才可以進行總裝集成，作為核電源分系統進行非核及帶核地面試驗，為后續整星試驗做準備工作。對于航天器而言，核動力航天器不同于常規航天器，在構型設計、關鍵分系統方案、整星地面測試系統、標準化等方面都是全新領域，因此，需要較長時間開展方案研究及能力建設。

2.3 模塊化核動力航天器設計概念分析

現有航天器設計采取的是定制化設計，一旦入軌之后，功能類型、性能指標即確定無法更改或微小改動。核反應堆電源針對不同功率量級采用不同技術方案，同時其研制周期長、經費投入大、在軌工作壽命長（10～30 a）。因此，同一功率量級的核動力航天器研制完成后，應用載荷需要根據任務需求的不同進行更換，實現核能利用最大化，提高經濟性。將功能相對固定的平臺部分進行統型設計，與不同功率量級核電源模塊進行標準化對接，快速適應不同類型反應堆電源，完成型譜化發展及功能升級換代。因此，按照任務需求不同和功能換代升級兩大要求，模塊化核動力航天器設計方案如圖3所示。

圖3 模塊化核動力航天器Fig.3 Modular spacecraft with nuclear power

模塊化核動力航天器主要分為3 部分獨立模塊：平臺核電源模塊、平臺中心模塊及載荷模塊。以熱離子核動力航天器為例，進行系統劃分，如圖4所示。

在模塊化核動力航天器設計過程中，主要包括兩方面內容：①將整個核動力航天器根據功能分析和設計要求，通過功能抽象合理創建出平臺核電源模塊、平臺中心模塊和載荷模塊3 大獨立模塊，即“化整為零”設計；②在每個獨立模塊內部，進行“湊零為整”設計，獨立模塊中的分系統采用模塊化產品，實現快速設計快速研制。本文研究內容主要針對平臺核電源模塊、平臺中心模塊和載荷模塊的“化整為零”設計開展研究。3 大獨立模塊劃分及功能重組示意如圖5 所示。

平臺核電源模塊可以選擇不同功率量級反應堆電源系統，與平臺中心模塊對接，即可實現功能換代升級，首型核動力航天器（如10 kW 熱離子核動力航天器）研發過程即明確標準化接口形式，后續型號（如100 kW 級核動力航天器或MW 級核動力航天器）即可實現快速研發設計，實現通用化平臺。

載荷模塊可以選擇遙感天線實現對地長時探測、對接貨倉實現深空探測、高軌綜合服務站建設等目標，以及其他高功率電能需求的任務載荷。載荷對接既可在地面完成，與平臺中心模塊一體化設計，也可與核動力平臺分別發射，在軌對接分離，根據任務需求靈活機動，達到軍民融合平戰結合，將核能充分利用，實現最高經濟性。

圖4 核動力航天器系統模塊劃分Fig.4 Modular partition of nuclear power spacecraft system

圖5 核動力航天器系統模塊組合模式Fig.5 Modular combination model of nuclear power spacecraft system

平臺中心模塊連接核電源模塊與載荷模塊，是維持整個航天器基本運營的部分，這一部分包括整器結構部分、推進系統、熱控系統、維持整器基本運行的電能管理系統、測控系統核姿軌控系統。針對核電源模塊和載荷模塊設置標準接口，在軌可具備軟件升級維護的能力。

各模塊之間體系架構設計可采用3 層模型，如圖6 所示，由下到上分別是結構層、協議層和應用層。

結構層主要是指模塊化核動力航天器的結構布局，結構層由傳統航天器的定制化、一體化設計變為半開放式結構，雙向預留結構總線接口。整器基礎系統（如推進、測控、電能管理、姿軌控等）布局在基礎結構中，此部分仍采用封閉式設計，不可拆裝。反應堆電源模塊或載荷模塊按照總體需求，通過標準化接口安裝在結構總線上成為某型核動力航天器的一部分，可在地面或在軌通過分離對接操作實現模塊的更換。

圖6 模塊化核動力航天器體系架構示意圖Fig.6 Schematic sketch of nuclear power spacecraft architecture

協議層主要是指核電源模塊及載荷模塊與平臺中心模塊的電氣、信息、軟件等接口方面標準化協議，通過開放式的軟件架構實現可更換模塊的功能連接，對于載荷模塊實現自主識別對接的載荷模塊狀態參數，接入系統并啟用，實現功能模塊可更換。

應用層主要是指通過整器的系統功能重構，實現航天器功率量級等關鍵性能提升、整器功能重構等應用能力。

3 模塊化核動力航天器技術難點分析

模塊化核動力航天器充分考慮可繼承性與可擴展性，因此，針對以平臺核電源模塊與平臺中心模塊組成的核動力航天器平臺梳理技術難點，以下技術難點通用于各種功率量級及應用需求的核動力航天器。

3.1 空間核反應堆電源系統設計技術

空間核反應堆區別于地面堆，需要考慮空間應用的特點，輻射安全性、輕質、高可靠性及不可維修性等對反應堆電源提出更高設計要求，其中主要包括以下三方面技術難點：

1）無中子源啟動技術。在地面反應堆啟堆過程，通過中子源轟擊進行反應堆啟堆，而空間堆在發射入軌前由于輻射安全要求，因此，需要在軌采用無源中子啟動技術進行啟堆。利用宇宙射線與反射層、結構材料、燃料等材料發生反應，進而產生中子，以引發反應堆可靠啟堆，由此帶來一系列基礎物理問題及材料問題。

2）核安全技術。空間堆電源的安全備受關注，在地面測試段、運輸段、發射場以及入軌前，均需重點考慮核反應堆的安全性，需要從方案設計、基礎保障、管理體系等多方面開展核安全技術研究。

3）數字化仿真技術。由于空間無人、不可維修、運行時間長等特點，為保障核反應堆電源安全可靠工作，需在地面同步運行同設計的數字反應堆，為在軌數據提供支撐。

3.2 關鍵部件小型化及性能穩定技術

空間核反應堆電源對于單機設備具有較高的體積和質量約束。為滿足飛行樣機的體積、質量、效率和可靠性指標要求，需要開展關鍵部件電、磁、流體力學、熱控等小型化設計技術研究，形成綜合性的設計方法和手段，研發耐高溫、耐振動、高性能的關鍵材料，構建耐沖擊振動結構，集成工藝，適時開展相關試驗驗證，確保小型關鍵部件整體性能滿足飛行試驗要求。

3.3 長距離大承載的高剛度高強度展開機構技術

核動力航天器在軌展開后呈啞鈴構型，可展開式支撐機構既要保證足夠展開長度，又要保證可靠的剛性連接及承載性能。主要有以下兩方面技術難點：

1）長距離大承載展開機構總體設計技術。受反應堆γ 及中子射線劑量約束，核動力航天器需要在發射階段收攏，在軌展開。根據研究美、俄核動力航天器，在軌的展開機構展開長度達10 m 以上，同時彎曲載荷大，結構組成復雜，功能要求多，其結構尺寸、承載能力及復雜性遠大于我國現有空間展開機構。對展開機構開展總體設計，機構需要保證自身展開功能、鎖定功能及承載功能，同時滿足總體的電、熱傳輸需求。

2）高剛度高強度鎖定保持技術。為滿足核動力航天器姿軌控的穩定性要求及應用載荷指向精度的要求，展開機構的在軌基頻需要同時滿足飛行器在軌對接、變軌時傳遞給展開機構的載荷要求。因此，桁架結構間的鎖定性能需滿足高剛度、高強度的要求。

3.4 高效傳輸與能源管理技術

在空間核動力航天器中，核反應堆電源的工作特性對能源傳輸與管理提出了更高的要求：一方面，核反應堆電源輸出高壓直流電或高頻交流電，考慮到防輻射需求，平臺裝置與核反應堆電源之間保持較遠距離，高電流長距離傳輸增加了電纜損耗與設計難度；另一方面，由于核反應堆電源工作機理復雜，工作過程中其系統狀態改變相對較慢，需幾分鐘甚至更長時間，當任務功能發生變化、平臺電功率發生瞬態變化時，核反應堆電源無法作出及時響應，造成能量供需不平衡的問題。

3.5 大撓性航天器姿態穩定控制技術

核動力航天器主要由核電源模塊、平臺中心模塊及載荷模塊構成“啞鈴”構型，核電源模塊與平臺中心模塊間的連接桁架采用輕質化設計，從而導致系統的振動頻率低且密集。核動力航天器進行在軌機動或者姿態變化時，推力器、反作用飛輪、有效載荷和溫度變化等激勵大尺度輕質撓性桁架及附件振動，振動形成耦合干擾力矩長時間反作用在平臺中心模塊上，結構振動與控制交互作用影響平臺中心模塊的姿態控制精度、穩定度，嚴重時甚至將導致姿態失穩。

3.6 輻射防護綜合設計技術

核動力航天器在運行過程中會產生較高劑量的中子和γ 射線，為了防止結構材料和航天器平臺儀器設備受照射后發熱、活化及性能劣化，需要對核動力航天器采用特殊的輻射防護措施。主要從以下3 方面綜合考慮：核電源的陰影屏蔽設計、展開機構長度設計以及平臺儀器艙抗輔加固設計。

核電源的陰影屏蔽設計是在核反應堆電源的后方，選擇合適的屏蔽材料，以及輕屏蔽與重屏蔽組合模型開展研究，保證在滿足輻射劑量要求的前提下，屏蔽體的質量最小。

展開機構設計的輸入條件，即在保證核電源模塊與平臺中心模塊有效的安全距離，距離越長，輻射劑量越小，同時展開機構設計難度越大，質量越大。

在平臺儀器抗輔加固方面，是針對敏感儀器開展局部抗輔加固設計，減小輻射劑量的影響。

在核動力航天器設計過程中，應考慮以上3 方面因素，綜合設計，提出最優解決方案。

4 結束語

本文系統梳理美、俄空間核動力航天器的發展歷程，總結發展趨勢及技術路線，提出核動力航天器研發特點，結合模塊化航天器內涵，提出模塊化核動力航天器概念；進一步探索模塊化核動力航天器模塊劃分模式，以及模塊間體系架構模式；最后基于可繼承性及拓展性，梳理模塊化核動力航天器技術難點，為各類功率量級核動力航天器研發提供參考。