美國空間核動力斯特林電源系統技術發展分析

駱成棟 羅雨微 楊偉杰 張璐 程磊

（1北京空間飛行器總體設計部 2北京空間科技信息研究所 3中國空間技術研究院發展計劃部）

隨著航天技術的不斷發展，世界各航天大國均加快了遠距離航天任務的規劃與部署，這些航天任務航行距離遠、持續時間長，所處空間環境惡劣，需要使用空間核動力供電系統?？臻g核動力斯特林電源系統是一種采用動態斯特林熱電能量轉換技術的核動力電源系統，主要由核熱源、活塞式斯特林發電器和控制器等部件組成，具有長壽命、高功率、高熱電轉換效率、組合方式靈活等優點，在深空探測、星表登陸等航天任務的供電需求中具有較高的發展潛力和競爭力。目前，僅美國開展過大量的空間核動力斯特林電源系統的設計與技術研究工作，其最早的研發工作可追溯到20世紀70年代，已取得大量的階段性成果。

1 美國空間核動力斯特林電源系統設計與研發現狀

美國先后在系統設計、發電器、控制器以及核熱源等技術研發上有較大投入。其中，整體系統技術研發活動以美國國家航空航天局（NASA）、美國國防部（DOD）和美國能源部（DOE）主導技術研發布局，NASA格倫研究中心（GRC）、NASA噴氣推進實驗室（JPL）、美國碟式斯特林光熱電源技術公司（Infinia）、洛馬公司（LM）等政府科研單位和企業聯合參與系統部件、材料、斯特林發電器單機等的技術研發與驗證工作。

系統總體設計靈活多樣

目前，美國在該系統技術研究領域已占據主導地位。NASA GRC早在1989年就對放射性同位素自由活塞式斯特林電源空間應用可行性進行過論證。經過50多年的發展，美國的空間核動力斯特林電源系統基本技術方案已經明確，先后發展出六代系統技術方案，包括“鋰冷卻核反應堆斯特林電源”系統、斯特林放射性同位素電源－110（SRG－110）系統、“先進斯特林放射性同位素電源”（ASRG）系統、“裂變表面能”（FSP）系統、“模塊式斯特林放射性同位素電源”（MSRG）系統概念與SRG系列概念、以及“使用斯特林技術的千瓦反應堆”（KRUSTY）系統和“裂變動力系統”（FPS）。按照具體的設計方案計算，現有的系統單機設計方案多達20余種，構型多樣化，供電水平靈活。

美國僅對SRG－110和ASRG兩代采用放射性同位素熱源的系統方案進行了實際系統整機制造，試驗樣機均為百瓦級，系統效率最高可達30%，已開展大量地面試驗。其他技術方案均停留在概念設計和技術論證階段，采用放射性同位素熱源的系統方案最高供電水平將近500W，采用核裂變熱源的系統方案單機最高供電水平高達40kW。

發電器技術基礎雄厚

由斯特林發動機和直線交流發電機組成的斯特林發電器是空間核動力斯特林電源系統的關鍵能量轉換單元。美國的空間核動力系統采用斯特林發電器的技術基礎十分雄厚。自20世紀80年代起，美國機械技術公司（MTI）、太陽能源公司（SunPower）和能量公司（Qnergy）等技術企業，曾先后為美國的各類空間核動力斯特林電源系統項目設計、制造、購買和考慮過至少9種空間專用或商用斯特林發電器，主要機型包括空間電源演示發動機（SPDE）、部件試驗電源發電器（CTPC）、技術演示轉換器（TDC）、EE－35、先進斯特林發電器（ASC）、P2A、能量轉換單元（PCU）、QB－3500和QB－7500斯特林發電器，額定功率范圍為35W～12.5kW，效率最高可達38%。這些發電器的整體技術水平較為成熟，為美國開展后續空間斯特林發電器的研發積累了大量的技術經驗。

控制器技術趨于完善

空間核動力斯特林電源系統中的斯特林發電器需要控制器來維持穩定運行。在每個發動機循環中，必需調節負載來平衡所產生的功率?？臻g核動力斯特林電源系統對控制器要求較高，美國的控制器開發工作主要集中在NASA GRC、洛馬公司和約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）應用物理實驗室（APL）進行。2003年以來，美國先后為空間核動力斯特林電源系統開發了5種模擬和數字斯特林電源系統控制器，并進行了相應試驗，包括模擬齊納二極管控制器（ZDC）、模擬直線交流調節器（LAR）、數字單發電器控制器（SCC）、數字雙發電器控制器（DCC）、數字工程開發單元（EDU），以及先進斯特林發電器控制單元（ACU），最高控制發電器數量為2臺。

核熱源技術穩步提升

目前，美國設計的適用于斯特林電源系統的核熱源主要有衰變形式的放射性同位素熱源和裂變形式的核反應堆熱源兩類。

放射性同位素電源研發過程中開發的通用熱源（GPHS）最初是為放射性同位素電源系統設計的一種模塊化同位素熱源，已在多項深空探測任務中得到實際空間飛行應用，技術較為成熟，具有通用性高、靈活性強、安全性好等優點，單個GPHS模塊的熱功率為250W，可根據需要進行模塊化配置。

2012年，美國在千瓦級電源計劃（Kilopower）下，為空間核動力斯特林電源系統研制出了1kW版本的高濃縮塊堆，并制作了原型樣機，目前仍處在地面驗證和完善階段，反應堆堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成，具有結構緊湊、控制簡單、可靠性高、使用壽命長等優點。

2 美國空間核動力斯特林電源核心技術發展特點

當前，美國的空間核動力斯特林電源系統技術處于世界領先水平，其核心技術發展呈現如下4個特點。

模塊化與組合化技術實現輸出功率和部件靈活配置

目前，美國的空間核動力斯特林電源系統的設計和研制實現模塊化和組合化，可通過調配電源本身模塊數量、斯特林發電器數量，以及熱源模塊數量來滿足不同的功率需求。此外，模塊化技術可以提升系統可靠性與容錯性，降低大功率系統開發難度。

首先，在熱源方面，美國20世紀90年代開發的模塊化GPHS熱源可根據需要進行模塊化配置，調整電源系統整體電能輸出水平；美國近幾年設計的“火星設計參考體系結構”（DRA）中提出了以4組10kW Kilopower反應堆供熱的組合化系統方案，將系統功率提升至40kW。其次，在系統組合式布局上，諸如MSRG系統模塊化組合、KRUSTY項目的多樣化系統布局和多臺斯特林發電機并聯設計方案，不但提高了系統功率水平，還提升了系統部件選擇靈活性。NASA也在其技術發展路線中明確表示仍將延續模塊化熱源設計和組合式斯特林發電器設計。

新型核反應堆熱源突破系統功率上限

目前，美國致力于發展新型核裂變反應堆熱源技術，以全面提高空間核動力斯特林電源系統總輸出功率水平。對于空間核動力斯特林電源而言，現有的斯特林發電器功率水平并不低，使用組合式技術實現千瓦級發電能力的斯特林發電器單機機型至少有4種。但近20年來，同類系統整體功率水平一直維持在百瓦級?？紤]到現有GPHS功率水平、系統體積和钚－238產量的局限，美國近年來將目光徹底轉向可行性與功率水平更高的熱管裂變反應堆技術上，以求突破現有電源功率設計上限。

美國先后研究了多種千瓦級熱管裂變反應堆，包括“熱管式火星探測堆”（HOMER）系列、“平價裂變表面電力系統”（AFSPS），以及KRUSTY系列（即Kilopower系列）等，這些核反應堆能夠提供43～175kW熱能，能組建的電源系統功率高達40kW，目前已搭建了1kW的KRUSTY試驗樣機，這也是有史以來結構最簡潔的反應堆概念之一。NASA與美國國家核安全管理局（NNSA）在2018年前后合作完成KRUSTY的地面試驗，系統技術成熟度在2017年達到5級（TRL 5）。未來，1～10kW的斯特林裂變電源系統仍是NASA發展的重點技術之一。

創新技術產品、提升系統技術成熟度與可靠性

目前，美國已發展出的空間斯特林電源系統大都停留在概念設計和試驗樣機階段。為提升現有系統技術成熟度，加速空間斯特林發電系統的空間飛行應用，美國在系統部件級技術上不斷推出創新型概念和技術。

美國認為，雖然未來實際用于空間飛行任務的系統硬件可能與現在較為成熟的ASRG硬件有所不同，但多數組件可能是相似的，并且系統架構可能會繼承ASRG的一些特點和技術。NASA GRC制定了斯特林循環技術開發計劃（SCTDP），以發展斯特林技術中尚不成熟或成熟度較低的技術。研究任務重點目標包括提高溫度能力以適應新環境，降低電源系統質量或尺寸，提高可靠性和系統容錯能力，并開發替代設計。在SCTDP計劃下，NASA GRC和SunPower公司也在持續進行相關技術開發。

同時，NASA GRC資助SunPower公司面向系統飛行逐步完善發電器設計。已完成了6代ASC機型設計，現有的ASC工程樣機3號（ASC-E3）技術成熟度達到6級（TRL 6），并已在GRC完成獨立驗證和驗證測試。該公司進行的ASRG研究項目中的試驗結果表明，其研發的斯特林發電器已經能夠滿足航天器的發射力學環境要求。

此外，美國也不斷開發新型發電機和系統設計，SunPower公司在汲取ASC設計經驗的基礎上與洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）團隊合作，嘗試開發一種新型SunPower魯棒斯特林發電器（SRSC），進一步提升發電器魯棒性與可靠性。設計目標為全功率連續運行壽命20年，質量2kg，單機發電功率63.7W，熱電轉換效率29.2%。

優化钚－238燃料制備能力、低功率設計為系統長期發展提供基礎

放射性同位素钚－238是當前空間同位素電源的最優選擇，充足的钚－238同位素供應是保證放射性同位素溫差電源技術可持續發展的基礎。但自然界中不存在钚－238，目前全球僅有俄羅斯和美國具有成規模的钚－238生產能力。美國在20世紀80年代曾停止了空間用钚燃料的生產，并轉而從俄羅斯采購钚－238。為滿足任務需求，實現钚－238的自主可控，NASA與DOE在2011年啟動了钚－238生產項目來重建生產能力，計劃在2023年實現年均至少1.5kg的二氧化钚產量。但這仍無法滿足其未來航天任務燃料需求，即便是將年產量提升到5kg，美國航天領域在2025年前后仍會出現钚－238供應告急的情況。為此，美國計劃從縮短生產材料停留時間、延長衰變時間、減少裂變產物庫存和放射水平、縮短生產處理過程，以及縮小生產設施占地面積等方面入手，進一步提升生產能力。

此外，美國在最近5年開始轉變設計思路，開始研究采用放射性同位素熱源的小型斯特林電源系統，設計提供的電功率范圍在1mW～40W。小型的空間核動力斯特林電源系統可以為空間科學和探索任務的探測器、著陸器、漫游探測器或通信中繼器提供電力。這樣的系統可以使用小型GPHS（約60W熱輸出）或輕量放射性同位素加熱器裝置（LWRHU）為航天器上傳感器和通信提供動力。目前開展的研究項目包括JPL的“小型放射性同位素電源系統”（SRPS）項目和GRC的“小型斯特林技術探索能力”（SmallSTEP）項目。

3 空間應用趨勢

美國已在多項航天任務中考慮過空間斯特林核電源系統技術方案，受限于系統各部件技術成熟度與任務選擇問題，系統空間飛行遲遲未實現。美國相關技術部門正在積極開展裝配試驗和發射運行的研究工作，同時還在深入考慮未來任務的可擴展性。

加快落實放射性同位素電源系統的航天器應用

自2009年起，放射性同位素斯特林電源系統技術曾被多次考慮進行實際空間應用，但因技術選擇等問題均錯失至少兩次飛行機會。目前，美國正在大力推進SRG與ASRG兩類系統，以SRG類系統為代表的數十至數百千瓦級系統能夠滿足在近期和中期的行星科學及遠距離飛行任務，ASRG也可以安裝在包括軌道飛行器、著陸器、漫游巡視器以及行星際探測器等多種航天器上。盡管NASA已終止了ASRG項目，但其仍持續資助私營公司開發斯特林發電器技術進行小額投資測試，預計到2028年可應用于飛行任務。此外，NASA的“放射性同位素動力系統”（RPS）項目辦公室還曾在2015年春季起草了一份名為“S2F”的新斯特林電源飛行計劃，其關鍵目標之一是推進該技術在飛行中的實際演示。

根據最新的《行星科學10年調查報告》所述，NASA一直需要RPS系統來進行行星探測任務。美國的《核動力評估研究報告》（NPAS）中得出了包括肯定放射性同位素動力在21世紀30年代之前航天任務中的必要性等結論。美國相關技術部門目前正在積極開展集成試驗和發射環境適應性的研究工作，同時還在深入考慮未來任務的可擴展性。

突出核反應堆電源系統的行星表面任務應用設計

從長遠看，發展千瓦級的核裂變反應堆斯特林電源系統十分必要，此類系統能夠滿足NPAS報告中預測的35～40kW行星表面探測類任務，以及人類探索和作戰任務理事會（HEOMD）任務需求。近期，NASA和DOE計劃聯合向工業界征集建議書，旨在開展“千瓦電源”項目的后續研究，以支持NASA遠期月球和火星探索計劃的緊湊型核動力系統，即10kW的核裂變系統；該系統預計于2027年可在月面部署，為月表長期活動提供電力。

4 結論

美國對空間核動力斯特林電源系統技術已開展了50多年的研究，發展出上至數十千瓦級，下至毫瓦級的多種系統功率水平設計與技術方案，并有望快速實現一定程度的商業化。該技術很可能會在未來30年內逐漸走向主流，為深空探測、星表登陸等長周期航天任務提供電力。