空間電源技術發展趨勢展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

關鍵字：空間電源；電動繩系；核裂變；核聚變；反物質

0 引言

空間電源技術是當前國際范圍內的一大技術熱點，但相關技術的不斷完善依然會面臨固有的挑戰和困難[1]。除國際空間站外，最大的空間電能用戶是位于地球同步軌道上的商業通信衛星。對于地球同步軌道通信衛星而言，發電功率增加亦意味著數量更多的通信轉發器和更大的帶寬。

本文重點研究了4種空間電源技術，分別為空間電動繩系技術、空間核裂變技術、空間核聚變技術和空間反物質技術。這四類技術的成熟度彼此存在差異。近年來，在國際領域上，電動繩系和核裂變反應堆技術的成熟度已逐漸達到可在空間領域應用的程度。同時，該兩項技術已進行了諸多飛行測試，且核裂變技術已在重要的戰略層面上得以應用。這兩項技術面臨的挑戰是如何在成本、性能和風險上比太陽能電池陣列具備更廣泛的優勢。核裂變反應堆依然面臨著如何提高安全性的問題。相比之下，核聚變和反物質推進技術還遠未成熟，其在得以應用之前需要進一步加強研發投入。

1 空間電動繩系技術

電動繩系最初作為一種空間推進裝置而得以發展，但其也可應用于空間電源領域。電動繩系是一個相對簡單的設想，由一根從衛星中沿最低點或反最低點方向伸出的導電線組成，使其穩定于重力梯度方向。電動繩系通常采用導電膠帶、電纜或編織結構，以增大可傳導的電流值，或增強對衛星機體造成損傷的抵抗力。應將電動繩系與已被應用于空間實驗的非導電繩系區分開來，盡管非導電繩系已在空間任務中得以應用，但其依然無法被應用于空間電源領域[2]。

電動繩系更適用于赤道低軌區域。該處的地磁場最強，且速度矢量與磁場方向最接近垂直[3]。在地球靜止軌道上，磁場由于較弱，而陽光在一年中多數時候都很強。在該軌道上，相比于太陽能電池陣列，電動繩系可能是最具競爭力的空間電源。

在空間推進和空間電源兩種應用中，電動繩系均需要設置返回路徑，以使電流通過空間等離子體。為了能與空間等離子體發射電連接，繩系必須能夠從端部發射和收集電子。在繩系充滿正電的一端，電子收集可用一種相對簡單的辦法實現，即將繩系的一個區域暴露于空間等離子體中。在繩系的陰極，電子的發射方式仍需不斷完善。原理上，與發射電子相對，可以擴展出較大的繩系區域，以收集空間等離子體中的離子，但該方法需要收集足夠強的離子流。因此，陰極需要某種主動電子發射裝置[4]。

可用于繩系的最成熟的電子發射技術使用空心陰極或等離子體接觸器。空心陰極使氙氣流通過LAB6管而產生電子，通過氙氣的電弧使離子和LAB6材料發生碰撞，從而釋放出電子。空心陰極技術也可用于離子推進器和大型靜止軌道通信衛星的霍爾效應推進器的電子源。可是，該項較為成熟的電子發射選擇，即空心陰極技術，在使用多年后即存在明顯缺陷。空心陰極需要儲存推進劑，以降低對繩系“減少推進劑推進”能力的要求，需要復雜的線路以用于點火和維持放電，通常還要求具備較大的質量和功率配給。場發射裝置以及熱離子發射裝置都是降低推進劑數量的有效選擇，但目前尚未證實其是否可在電動繩系的使用壽命內和電流水平下可靠工作。正在進行的研究致力于提高場發射和熱離子發射裝置的壽命和可靠性，以此會對繩系在軌道應用中的實用性產生較大的影響[5]。

繩系發出的電能必須有相應的能量來源，以滿足能量守恒定律。繩系與行星磁場的洛倫茲力相互作用，會產生減小衛星軌道動能的電磁阻力。因此，繩系發電是以損失軌道高度為代價實現的。在評估繩系發電的收益時，必須從系統水平上考慮其可能帶來提高發射能力的成本。

至今，對于地球軌道上的典型空間任務而言，以軌道高度為代價，用繩系發電通常是一類性價比較低的技術方式，原因主要有兩點。（1）該空間內的相關影響因素必定會隨時間發生變化，因為運載火箭和空間電源之間的成本均衡會隨技術進步而發生變化。（2）繩系的這種允許軌道和電能之間的系統交換能力是獨一無二的。可以預想，以繩系作為儲能裝置是一個更加有利的航天任務方向。儲能可通過對繩系做功，以改善航行軌跡和提升軌道能量。之后，通過從繩系中放電和降低軌道高度可最新獲得之前儲存的能量。通過重復該循環，在任何軌道上，繩系都可以像衛星電池一樣作為儲能裝置。

在地球軌道之外，繩系發電還具有潛在的、更好的空間應用價值。在木星附近，太陽輻射強度約為地球附近的1/27。在該處空間電源需要使用面積較大的太陽能電池陣列或放射性同位素熱電發電機（RTGs）。目前，仍有一種辦法可適用于衛星從轉移軌道上向有磁場的目標行星轉移的情況。在到達目標行星附近時，繩系展開并被用作制動推進器，以進入軌道，同時發出電能[6]。

電動繩系自身具有較大的升空前測試風險，同時由于繩系長度較大（百米到千米的量級），由此無法在真實模擬在軌低重力環境條件的地面測試中展開。除此以外，地面實驗室無法復現空間等離子環境，發射前在陸地上的研究也不能對繩系的功能性進行端到端的電氣測試。

由于無法通過地面設備進行高保真測試，世界各國被迫進行了大量空間試驗，在這方面目前已在一項復雜技術的成熟化上取得了顯著進展。相關飛行試驗也表明，繩系在進入軌道時會出現較大振蕩。這一點對于衛星的穩定性有顯著影響，尤其是對于通信、導航及監視等對指向精度有較高要求的衛星。為找到抑制這種振蕩的方法，已經開展了重大研究，但還未進行空間測試。

迄今為止，在空間電源領域，尤其是在太陽能電池陣列占統治地位的靜止軌道通信衛星的空間應用上，電動繩系的技術競爭力依然不如太陽能電池陣列[7]。如果能不斷在電子發射、動力學及部署風險問題上取得進展，電動繩系可能會成為地球軌道和其他行星軌道上的商業缺口。

2 空間核裂變電源技術

RTGs作為一種亞臨界核裂變電源，是空間領域電能的一種重要來源，其為早期軍事衛星和長期的空間任務提供可靠的電能供給。但由于RTGS電源功率有限[8]，需將其功率提升至千瓦等級的水平，用以滿足空間監視和無線電定向和測距（RADAR）任務。蘇聯和美國均已發展了空間核裂變反應堆。盡管空間核裂變反應堆依然并未被部署在衛星上，但由于其固有的高功率以及在衛星進入日食區時提供不間斷輸出高功率的能力，其依然有著較高的研究價值。高功率空間電源在航天領域充滿競爭力，同時由于太陽能電池的發電能力會隨衛星遠離太陽而逐漸衰減[9]，其在日食區和遠離太陽時的發電能力，對于諸如RADAR和具有夜間數據采集能力要求的光電偵察等地球軌道任務而言，可謂更具吸引力。

反應堆通過核裂變反應過程從而輸入和輸出產生熱能。輸入指標是指燃料量和中子通量，燃料量在發射前批量裝載燃料的情況下通常是固定的，而中子通量通過裂變反應過程中中子的調節、吸收和反射來實現控制。隨著技術的不斷發展，以此可通過調整核反應堆的結構單元來實現，比如控制棒和控制屏。裂變過程的輸出指標則包括更多的中子、熱能以及核裂變副產物。多數空間反應堆使用高純度燃料，反應堆中裂變副產物的堆積在任務期內通常并不作為重大問題而進行處理。反應堆的溫度可通過控制中子束流和冷卻液而通過反應堆核心的流率來調節。由于無法將地面上應用的浮力效應運用于反應堆設計過程中，反應堆的空間應用明顯依賴冷卻液循環泵。在其他行星或月球上時，則可使用兩相蒸氣作為一種無需泵送的工作流體。在空間中，則可使用單相冷卻劑，如液態金屬，或使用惰性氣體，如氦氙混合氣。

使用空間核反應堆作為發電系統的關鍵是將輸出的熱能轉化成有用的電能[10]。在熱力學領域中，其意味著像高溫儲水池一樣的反應堆必須與一個熱機或熱電直接轉換裝置相連。廢熱被送入低溫庫及衛星上配裝的擴展散熱板中。回溯歷史，熱電堆在空間核發電系統中曾占據主導地位[11]，盡管蘇聯在最后幾次空間發射中使用了效率更高的熱離子轉換器，并持之以恒地研究熱離子發電裝置，以及實際熱機（比如遵循布雷頓循環的燃氣輪機和遵循斯特林循環的斯特林發動機），包括其他一些新型直接轉換裝置（例如熱光伏電池），也對其開展了相關研究。

直接轉換裝置通常是基于一個熱力循環來進行運作，其中應用了熱力學第一和第二定律，即將反應堆輸出的熱能轉變為有用的電能和廢熱，且通過第二定律描繪出效率和溫度的關系。這些裝置通常會使轉換器及其附帶的散熱器的總質量得以最小化，但其代價是系統效率的降低。這種低效率為在較大系統中使用熱機提供了必要的應用前景。

3 空間核聚變電源技術

為解決RTGs的一些負面效應并實現其高功率性能，未來有3種較為可行的方案。第一種方案通過解決熱電轉換裝置（TECs）自身的低效率問題以提高RTGs裝置的內在效率。先前通常采用的是熱電轉換單元，其具有4%～7%的轉換效率。使用新材料或更好的單元電池設計會帶來潛在的效率提高，可使效率提升至12%～14%，甚至在未來有望達到25%。這對于RTGs和使用熱電、熱光伏或熱離子轉換裝置的反應堆都是較為可行的。雖然這種效率的提高減弱了尋找其他途徑的需求，但應當注意到，該領域的主要工作對象是小型發電裝置（發電量通常不到1 W），而且這些裝置的測試壽命均短于一整年。因此，為減小研發風險，需充分考慮到熱電、熱光伏或熱離子轉換器及相關子系統。

第二種方案若要探求更多的功率提升方法，可從單位質量中獲得更多能量或使用各種熱機循環進行補充，以此更有效地將熱能轉化為電能。

第三種方案更高的能量/質量比則需通過核裂變反應堆實現，而非通過放射性衰變過程[12]。

NASA自19世紀70年代以來即已開展了相關研究，但對此僅進行過地面測試，從未開展過飛行試驗。同樣，可考慮的熱源大多是放射性核素衰變單元，而并非反應堆。這由于超出太陽能電池在太陽附近的相對較小的負載功率要求，RTGs的高技術水平必須直面在從地球軌道轉移之前從而所依賴的高功率核系統所隱含的一系列風險。由此使得遵循用于具有低效率熱電轉換器的高功率反應堆的設計先例的可能性不大，其原因有兩點。第一點邏輯上，功率/質量比的提高對任何空間任務的執行都是較為關鍵的，同時需避免核組件進入地球大氣而引發的一系列災難性后果，這使得對任何核發電系統的效率的考慮成為減小風險的關鍵環節。第二點考慮的是以此可減小發射質量，使用熱機時更有效的轉換過程則要求更小的反應堆質量。

空間核裂變技術在早期曾得以成功應用，但其應用范圍在后期卻日漸式微。在技術和政治層面上由于存在雙重障礙，亦使該領域的研究進展得以延緩。美國地面核工業的不斷衰落、陸續發生的三里島和切爾諾貝利的核事故，以及20世紀晚期過剩的能源生產力，逐漸減少了來自私人產業的技術投入。最終，太陽能電池陣列在空間電源領域上取得重大進展，并已成功應用于20 kW量級的衛星系統。

核技術應用于空間任務的項目通常僅進展到地面試驗階段，盡管其已在系統可靠性和效率上取得了顯著突破，但這種暫時性的技術停滯依然將持續一段時間。

核聚變反應通常會產生10倍于核裂變反應的能量，因而對于制造高功率或更緊湊的發電系統充滿吸引力。當前，用于約束聚變反應的地面設備需要較大的容器。由此可知，基于當前技術手段的空間應用的初步發展將達到更高的功率水平（兆瓦級或更大），該數值遠超過地球軌道任務的需求[13]。因此，核聚變空間電源的主要吸引力是為行星際或深空任務的推進系統提供動力[14-15]。這些任務需要高功率的推進系統，以縮短航行時間。

聚變能是通過兩個較輕原子融合為一個總質量略微減小的較重原子而產生的。損失的總質量以能量的形式實現聚變反應的關鍵技術在于約束。帶正電的原子核必須克服庫倫斥力接近，并保持緊密的接近狀態且保持足夠長的時間，以此促成聚變反應的進行[16]。當約束時間滿足要求，且反應速率達到使產生的能量超出約束原子核所消耗能量的程度時，聚變反應即會超過盈虧平衡點并開始輸出能量。

可考慮將幾類反應用于聚變發電。最易于實現約束的是氘氚（D-T）反應，但該反應在空間應用上仍存在缺陷。反應產生的高能中子使周圍的材料和結構發生損壞并產生放射性。相比于衛星的工作壽命，氚的12.32年的半衰期依然是一項問題。中子的動能必須被轉化為可被衛星子系統使用的電能。為此，需要用熱覆蓋層包圍聚變反應區，以將動能轉化為熱能，然后再使用核裂變反應堆部分所描述的技術進行熱電轉換。

被研究用于地面核聚變發電的兩種最常見的約束方法為磁約束和慣性約束。磁約束法使用來自外部或強等離子流自身產生的磁場，使等離子體保持高溫。從根本上講，其為穩態反應。慣性約束法使用高功率脈沖激光器使一個小目標發生內爆，或使用脈沖電源通過磁作用使一根小型低溫纖維發生內爆。慣性約束法會產生一系列小型爆炸，其本質上相當于微型核聚變武器。

使用現有約束方法的核聚變發電技術用于空間電源的系統工程的影響是令人震驚的。磁約束法將需要配置大型超導磁體（由此會帶來熱耗散問題），亦需要大量儲存能以啟動或重啟反應，對等離子體進行輔助加熱的潛在的復雜方法、燃料來源及可能的燃料生產輻射效應對衛星有效載荷和成員產生的影響[17]。慣性約束空間電源的影響同樣顯著。深度低溫能力和高功率激光或粒子束是有效實現慣性約束聚變的先決條件。

但是，通常難以對空間聚變發電的系統工程影響進行客觀評估，其主要是由于地面核聚變技術尚未達到商業化運營的成熟度。當前，得出“將來的地面核聚變發電將采用磁約束或慣性約束”的結論是不合理的。考慮到該系統的復雜性和規模，由此不斷開拓出全新的技術領域，以此啟動并容納核反應，地面核聚變才會作為一種可行的電源實現商業化。當這些進展在地面上實現以后，空間電源用戶必定會考慮將該技術過渡到空間軌道應用領域中。

核聚變發電的潛在應用也是必不可少的。現有的技術手段從根本上造就了吉瓦級的大型高功率系統。這種功率水平提升了星際載人飛行的實現可能性，尤其是在飛船著陸后且能在行星上進行發電的技術要求。因此，在空間推進系統的應用環境下考慮空間核聚變發電技術更為適宜。

4 空間反物質電源技術

反物質是已知材料中能量密度最高的。該發電方式類似空間聚變發電，其主要被研究用于支持星際或深空探測領域。正物質與反物質進行反應后的能量密度可達108MJ/g的量級。其能量密度約為常規化學反應的1010倍，裂變反應的1 000倍，以及聚變反應的100倍。

實現空間反物質電源所需的技術開發可謂重中之重。反物質產量較為有限，每年的產量僅在納克量級，且其主要在相關粒子加速器，如在歐洲核子研究組織（CERN）和美國費米實驗室中生產。生產反物質的成本極高，由此如作為地面電源，該項技術的意義并不大，因為制造反物質所消耗的電能遠超該反應放出的能量。對于空間應用，這種低效率所引發的問題則有所降低。如果在地面上生產反物質，然后將其帶入太空作為電源或推進能源，則其低效率的技術弊端可被相應減少的運載成本和較短的任務時間等因素所補償。關于儲存反物質燃料領域的研究，目前主要集中在潘寧陷阱領域。

與核聚變技術一樣，建造適用于反物質生產、儲存和使用的基礎設施的成本是一項巨大的投資。為實現其空間應用，仍需開展國際性合作，以支持相關投資和研究，找到成本和復雜性都大幅降低的反物質生產方法。

5 結論及展望

當使用新技術所獲得的收益和發展機會超過成本和風險時，空間技術水平亦得以不斷推進。未來，空間核反應堆將會用于獲得比太陽能電池陣列更高的功率。彼時的低效率太陽能電池將被用于開發更高功率的電池陣列，從而也會帶來超出衛星姿態控制等方面的技術影響。類似的核裂變和反物質技術均會被將來的空間任務所推動。該類任務將要求在有限的質量范圍內提高電源能量和推進功率的量級。

同樣，電動繩系也可通過消耗軌道能量來實現發電。該項技術已通過多次空間試驗而得以證實。總體而言，通過軌道能量而轉換電能仍會存在一定的技術弊端。因此，電動繩系空間電源預計僅會在相關項目上偶有應用。同時，相關領域的先進技術將會不斷促使先進空間電源系統的不斷進步及日漸推廣。