空間核動力裝置控制系統(tǒng)設(shè)計分析及啟示

張瑋瑛，賈玉文，段天英，劉 勇，尹 凱，龔 琳

（中國原子能科學(xué)研究院 核工程設(shè)計研究所，北京 102413）

0 引言

空間核動力是一種典型的國家戰(zhàn)略核心軍民兩用技術(shù)，受到各國的高度重視。由于其深空任務(wù)的復(fù)雜性和特殊性，對其控制系統(tǒng)的研發(fā)提出較多獨特的挑戰(zhàn)［1-3］。地面核反應(yīng)堆的自動控制技術(shù)已較為成熟，主要基于經(jīng)典控制理論完成回路控制任務(wù)，依賴于不同程度的人為控制和決策，受益于定期的人工維護(hù)。相比之下，空間堆的控制系統(tǒng)須在長時間的空間任務(wù)周期內(nèi)保證裝置連續(xù)穩(wěn)定運行，期間直接的人機交互有限，且無硬件維護(hù)或傳感器校準(zhǔn)等機會，還需應(yīng)對異常事件、設(shè)備故障等問題。因此，不能依靠持續(xù)、即時的人機交互，不確定性高，需應(yīng)對罕見事件、設(shè)備退化等，是空間堆控制系統(tǒng)須應(yīng)對的獨特挑戰(zhàn)，需優(yōu)化空間堆控制系統(tǒng)的設(shè)計，以應(yīng)對挑戰(zhàn)。

1 空間堆控制系統(tǒng)特點

1.1 自主控制技術(shù)

1.1.1 概念與內(nèi)涵

空間堆控制系統(tǒng)屬于自主控制系統(tǒng)，與地面核設(shè)施常規(guī)的自動控制系統(tǒng)不同。如圖1 所示，自動控制由固定的控制算法產(chǎn)生控制動作，通常工作在有限的、確定的全局狀態(tài)下；不需要操作員對正常運行事件進(jìn)行實時干預(yù)，人工完成大多數(shù)重要的決策，而不由控制系統(tǒng)完成。相比之下，自主控制集成了自動控制、診斷和決策功能。雖然自動控制技術(shù)已較為成熟，但自主控制更難實現(xiàn)，目前經(jīng)驗基礎(chǔ)十分有限。地面核電站暫無自主控制運行經(jīng)驗，空間堆除簡單的控制回路自動化外，無真正意義上成功的自主控制經(jīng)驗。

圖1 自動控制與自主控制結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of autocontrol and autonomous control

1.1.2 自主控制功能

自主控制的功能主要在以下幾方面擴展了常規(guī)控制系統(tǒng)的范圍。

1）在所有運行工況或階段，均需提供自動控制，空間堆自主控制覆蓋核動力裝置的地面階段、發(fā)射準(zhǔn)備階段、發(fā)射及部署階段、任務(wù)運行階段、任務(wù)終結(jié)處置階段等整個壽期。

2）在不確定性較高的復(fù)雜環(huán)境下，優(yōu)化系統(tǒng)性能（例如自調(diào)整）。

3）持續(xù)監(jiān)控、診斷裝置運行和安全相關(guān)的重要參數(shù)及性能指標(biāo)。

4）診斷和處理關(guān)鍵設(shè)備異常狀況。

5）對各種有限壽命設(shè)備（如電池、執(zhí)行器）進(jìn)行靈活控制和保護(hù)。

6）適應(yīng)不斷變化或降級的外界環(huán)境條件。

7）可在一定程度上控制系統(tǒng)的自確認(rèn)與維護(hù)。

1.1.3 自主控制特點

自主控制的主要特征有智能控制、魯棒性、優(yōu)化控制、靈活性和適應(yīng)性。

智能控制有助于最大限度地減少或不依賴人為干預(yù)，基于實時診斷和預(yù)測功能，系統(tǒng)具有一定的決策和管理權(quán)限。此外，系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)、指令、裝置性能信息等綜合評估，進(jìn)行一定程度的自我狀態(tài)確認(rèn)。航天領(lǐng)域針對故障自診斷、規(guī)劃與自適應(yīng)控制等核心智能技術(shù)，已有一定的技術(shù)積累和成功經(jīng)驗［4］。

魯棒性主要應(yīng)對設(shè)計過程的不確定性，故障管理是提高魯棒性的重要方式。故障管理有故障避除、容錯控制、故障預(yù)測等技術(shù)。此外，魯棒性可能涉及自我維護(hù)或自我修復(fù)。

優(yōu)化控制指對控制需求的快速響應(yīng)、與最小偏差高效地控制執(zhí)行器動作。通過自整定和其他形式的適應(yīng)來促進(jìn)優(yōu)化控制。靈活性和適應(yīng)性可通過多樣化的測量、通信方式和多種控制解決方案實現(xiàn)。以上特征僅代表自主控制的可能性，但不構(gòu)成必要的集合。因此，自主控制可被視為所提供的一系列能力，其中自動控制是其基線。

1.1.4 自主控制技術(shù)核能領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀

如表1 所示，以美國的控制系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀為例［5］，自主控制在核能領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用經(jīng)驗較少，地面核電站暫無自主控制實際的運行經(jīng)驗，早期的Ⅰ代核電站僅有手動控制功能，Ⅱ代核電站主要基于模擬技術(shù)實現(xiàn)一定的自動控制功能，Ⅲ代核電站自動化程度更高，開始具備協(xié)同控制功能及部分自診斷功能。核能領(lǐng)取空間堆的自主程度最高，需具備一定的決策、控制和診斷功能，但目前除簡單控制回路自動化有成功的運行經(jīng)驗外，自主控制更多地處于設(shè)計和研究狀態(tài)。

表1 美國核設(shè)施控制系統(tǒng)自主化等級Tab.1 Autonomy levels in the control systems of the U.S.nuclear facilities

1.2 與地面堆控制系統(tǒng)異同

在地面?zhèn)鹘y(tǒng)核電工業(yè)中，單輸入和單輸出的經(jīng)典控制一直是實現(xiàn)獨立控制回路自動化的主要手段。目前，已有采用多變量控制技術(shù)的案例，如蒸汽發(fā)生器的三元控制器。另外，一直嘗試基于總體控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制多個控制回路，擴大自動化范圍。最先進(jìn)核電控制技術(shù)的應(yīng)用主要是在大學(xué)和國家實驗室的研究領(lǐng)域，如自適應(yīng)魯棒控制、模糊控制、基于遺傳算法的優(yōu)化控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)督控制等，目前暫無工程經(jīng)驗。

空間堆控制系統(tǒng)與地面堆存在較大差異。

1.2.1 任務(wù)周期與控制任務(wù)不同

空間堆控制系統(tǒng)包括從地面階段、發(fā)射準(zhǔn)備階段、發(fā)射及部署階段、任務(wù)運行階段到任務(wù)終結(jié)處置階段等整個壽期內(nèi)的連續(xù)控制；地面堆的工況劃分雖更為復(fù)雜，有冷/熱停堆、功率運行、事故工況、換料工況、計劃停堆等，但各階段均由可人工干預(yù)，不要求控制系統(tǒng)連續(xù)完成所有工況下的自動控制。

1.2.2 自主控制程度不同

地面堆自主控制程度要求較低，除回路自動控制功能外，目前僅需專家系統(tǒng)等輔助決策系統(tǒng)，重要決策和操作過程主要依賴經(jīng)驗豐富的操作員；空間堆控制系統(tǒng)的自主化程度要求較高，除自動控制功能外，還需具有故障診斷與處理、狀態(tài)預(yù)測、決策等功能。

1.2.3 控制架構(gòu)及硬件組成不同

地面堆控制系統(tǒng)的控制架構(gòu)往往采用成熟的大型分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）系統(tǒng)，配套硬件設(shè)備一般包括供配電系統(tǒng)、控制柜、服務(wù)器、工程師站、操作員站、主控室等，需要與其配套的控制電廠房完成控制電系統(tǒng)的硬件部署。但空間堆控制系統(tǒng)受限于太空任務(wù)，往往僅由主控機配合航天器平臺相關(guān)設(shè)備，硬件設(shè)備組成簡單，集成度高，對控制系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計和軟硬件設(shè)計均提出了更高的要求。

1.3 研發(fā)挑戰(zhàn)

空間堆控制系統(tǒng)須能夠為持續(xù)長達(dá)10 年甚至更長時間的任務(wù)提供連續(xù)、遠(yuǎn)程、（通常）無人值守的操作。首先，由于存在通信延遲和中斷，系統(tǒng)的監(jiān)測控制、故障診斷與處理、重要決策等依賴直接的人機交互不可行，需要其具有高度的自主控制能力。另外，考慮到裝置發(fā)射，尺寸和質(zhì)量限制較大地影響了冗余和多樣化系統(tǒng)的選擇，增加了對控制系統(tǒng)高魯棒性的需求。由于深空任務(wù)，不可能進(jìn)行系統(tǒng)的人工維護(hù)，這對系統(tǒng)提出了長壽命高可靠性的需求。最后，由于不同空間任務(wù)對功率（瞬時和穩(wěn)態(tài)）的需求不同，空間反應(yīng)堆的功率必須具備一定負(fù)荷跟蹤能力。保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計也需要考慮空間堆的重啟能力，與地面核電站不同，必須強調(diào)是空間任務(wù)的保障而不是反應(yīng)堆的保護(hù)。

考慮到空間任務(wù)的挑戰(zhàn)，空間堆控制系統(tǒng)除提供正常運行的自動控制外，還須提供一定程度的自主性。從某種意義上說，空間堆控制系統(tǒng)的作用是作為地面人類操作員的延伸，才可確保空間堆在復(fù)雜條件下長壽期內(nèi)可靠、連續(xù)地運行。

因此空間堆控制系統(tǒng)的研發(fā)需要重點關(guān)注自主控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計、全壽期各個階段多種控制策略的協(xié)同設(shè)計以及故障診斷等自主控制功能的設(shè)計。由于目前空間堆控制系統(tǒng)的實際工程經(jīng)驗主要聚焦于基本控制需求的實現(xiàn)，本文將重點從控制系統(tǒng)總體要求與架構(gòu)設(shè)計、自動啟動控制方案、功率運行協(xié)調(diào)控制方案等幾個方面分析目前的空間堆控制系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀，為我國未來空間堆控制系統(tǒng)的研發(fā)提供一定的啟發(fā)和建議。

2 美國典型型號空間堆控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 SP-100 空間核反應(yīng)堆

SP-100 是1983 年美國在戰(zhàn)略防御倡議（Strategic Defense Initiative，SDI）的背景下，開展設(shè)計的最主要的一種空間核反應(yīng)堆電源的設(shè)計型號。初步設(shè)計以100 kW 為重點，運行期為7 年［6］。SP-100 技術(shù)路線的優(yōu)勢是，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)位于反應(yīng)堆外部，可變換使用不同的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（溫差、布雷頓、朗肯、斯特林、熱光伏、堿金屬、堆外熱離子等），滿足不同的用途和功率需求。SP-100 最終設(shè)計可在幾十千瓦到幾百千瓦之間縮放，通用設(shè)計定為100 kW，以便適應(yīng)各種類型的任務(wù)［7-8］。

2.1.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及總體要求

1）總體要求。SP-100 控制系統(tǒng)根據(jù)其任務(wù)背景等確立其控制系統(tǒng)的頂層總體要求［7］是在航天器10 年的任務(wù)周期內(nèi)提供穩(wěn)定、安全的運行，包括：①高穩(wěn)定性；② 高可靠性，控制系統(tǒng)的初步分配為0.996，以實現(xiàn)總體任務(wù)可靠性要求0.950；③單個元件故障都不能顯著降低輸出電流；④ 自主運行（連續(xù)自主運行不少于6 個月）；⑤ 模塊化；⑥ 啟動后10 h 內(nèi)達(dá)到發(fā)電滿功率；⑦ 保留發(fā)射前和發(fā)射事故下的反應(yīng)性控制功能；⑧ 在預(yù)定的異常狀態(tài)下可實現(xiàn)自動停堆。

2）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。反應(yīng)堆控制系統(tǒng)有2 套冗余的控制驅(qū)動器、傳感器、控制器及配套軟件［9］。

SP-100 控制系統(tǒng)原理框如圖2 所示，主要包括以下功能：①過程檢測與處理；② 驅(qū)動指令處理及狀態(tài)判斷；③狀態(tài)預(yù)測；④ 反應(yīng)堆控制（控制策略，配置管理等）；⑤ 任務(wù)終止時鐘管理。

圖2 SP100 控制系統(tǒng)原理框Fig.2 Block diagram of the control system of SP-100

反應(yīng)堆控制器接受來自頂層的控制指令，包括啟動/關(guān)閉和反應(yīng)堆功率變化的要求等少量關(guān)鍵指令，其他控制則均由控制器實現(xiàn)自主控制。

2.1.2 啟動控制方案

SP-100 的啟動控制主要有低功率啟動、鋰回路解凍和升功率3 個階段，反應(yīng)堆啟動控制序列如圖3所示［10］。

圖3 SP-100 啟動控制序列Fig.3 Start-up control sequence of SP-100

重啟過程與首次啟動過程類似，“狀態(tài)預(yù)測”模塊持續(xù)地更新控制鼓是否處于預(yù)定次臨界的位置。如已到達(dá)該位置，則控制鼓的轉(zhuǎn)動速度將變慢，緩慢重回臨界。由于鋰回路可能無需解凍，重啟的速度將比首次啟動的過程更快。

2.1.3 功率運行控制方案

反應(yīng)堆控制采用反應(yīng)性程控和溫度控制結(jié)合的方式［11-13］。這一控制方式得益與SP-100 采用的熱電泵，可自發(fā)根據(jù)系統(tǒng)運行的溫度改變流量。該工藝設(shè)計結(jié)合熱管的被動傳熱的特性，使得整個系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)是自發(fā)的，無需主動控制。因此，整個裝置唯一可以主動控制的就是堆芯內(nèi)的安全棒和堆芯外的控制鼓。值得注意的是，核輔助電源系統(tǒng)計劃（The Systems for Nuclear Auxiliary Power，SNAP）項目（包括SNAP 10 A）均采用該控制方式，其充分性已得到證明。

反應(yīng)堆基本以基荷模式運行，閉環(huán)溫度控制。如功率需求較低，反應(yīng)堆控制器根據(jù)功率需求的變化，改變反應(yīng)堆冷卻劑溫度設(shè)定值，以降低反應(yīng)堆功率。上述閉環(huán)溫度控制方法可自動處理燃耗帶來的影響。

2.2 普羅米修斯計劃

普羅米修斯計劃于2003 年1 月由布什政府批準(zhǔn)，計劃用于木星冰衛(wèi)星軌道器（Jupiter Icy Moons Orbiter，JIMO），繞木星軌道運行并探索冰凍衛(wèi)星，以證明其能安全、可靠地運行于民用深空探測任務(wù)。工作重點為200 kWe 核反應(yīng)堆的設(shè)計，預(yù)期其使用壽命為15～20 年［14］。由于地球與木星之間的通信延遲和中斷時間長，要求反應(yīng)堆控制系統(tǒng)具有更高的自主性。美國最終采取氣冷快堆-布雷頓的方案，裝置總長近58 m，未展開直徑約為5 m。整個空間堆系統(tǒng)包括反應(yīng)堆模塊、散熱模塊、功率調(diào)節(jié)和分配模塊。后由于技術(shù)復(fù)雜度過高，2006 年，“普羅米修斯”計劃被終止。

2.2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及總體要求

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)需完成以下幾種模式下的自主控制［14］：

1）自主啟動；

2）穩(wěn)定功率運行；

3）瞬態(tài)變功率運行；

4）事故工況；

5）維護(hù)和測試操作；

6）停堆。

其控制架構(gòu)采用一種高可靠性的3 層架構(gòu)，還兼具一定的容錯性。

頂層監(jiān)控層：共有3 個頂層監(jiān)控通道，配置可采用工作/熱備/冷備或工作/熱備/熱備2 種方式，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的頂層控制，包括數(shù)據(jù)管理和診斷、協(xié)調(diào)軟件升級、與下級控制器協(xié)同。

反應(yīng)堆控制層：由4 個反應(yīng)堆控制子通道協(xié)同配合，負(fù)責(zé)反應(yīng)堆的監(jiān)測和控制、與頂層控制器通信及與功率調(diào)節(jié)和分配子系統(tǒng)的直接交互。

儀表和執(zhí)行機構(gòu)層：包括12 個獨立的控制通道，負(fù)責(zé)與反應(yīng)堆控制器通信、執(zhí)行器運動、位置采集、故障探測等。

2.2.2 啟動控制序列

反應(yīng)堆從冷停堆開始的啟動序列［14-15］如下：

1）利用航天器太陽能電池驅(qū)動布雷頓發(fā)電機逐步建立反應(yīng)堆冷卻劑流量。

2）緩慢微調(diào)動反射層，引入小的反應(yīng)性直至臨界。

3）繼續(xù)升功率加熱冷卻劑氣體。

4）當(dāng)冷卻劑溫度足夠高，達(dá)到規(guī)定水平后，布雷頓機組可以開始無需驅(qū)動自運行，并可以開始產(chǎn)生足夠的電。

5）反應(yīng)堆控制器通過冷卻劑溫度控制反應(yīng)性輸入，功率調(diào)節(jié)和分配控制器通過調(diào)節(jié)負(fù)載限制布雷頓機組的轉(zhuǎn)速；冷卻劑溫度控制和布雷頓機組轉(zhuǎn)速控制協(xié)同控制，使得反應(yīng)堆和這臺布雷頓機組升功率至滿功率狀態(tài)。

6）第2 臺布雷頓機組利用已啟動的機組的發(fā)電開始啟動，并緩慢提升至額定功率；至此，空間堆可以完成預(yù)計的發(fā)電任務(wù)。

2.3 星表裂變反應(yīng)堆電源

“普羅米修斯”計劃后，星表裂變反應(yīng)堆電源（Fission Surface Power System，F(xiàn)SP）成為2006 年后美國核反應(yīng)堆開發(fā)的重點之一。FSP 可為月球或火星表面的人類前哨站提供能量，系統(tǒng)采用鈉冷快堆、斯特林熱電轉(zhuǎn)換以及水冷熱管輻射器的方案。電源展開跨度大約為34 m，地面以上高5 m。輻射器底端在地面上方1 m，從而最大限度地減小了在輻射器表面積累塵土。如圖4所示，反應(yīng)堆位于深2 m 的坑內(nèi)，上方有一個屏蔽保護(hù)其上的設(shè)備免受直接輻射。電磁泵、斯特林熱電轉(zhuǎn)換器和熱排放泵安裝在5 m 高的鋼架結(jié)構(gòu)上，鋼架安裝在反應(yīng)堆上部屏蔽的上面［16-18］。裝置可提供40 kW 凈用戶負(fù)載。此外配備光伏陣列和30 kW時的電池，作為啟動和備用電源。

圖4 FSP 概念設(shè)計Fig.4 Concept design of the FSP

2.3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

FSP 控制系統(tǒng)有過程檢測與處理、監(jiān)控、通信和控制4 大功能。其中通信方法暫未確定，可能包括對月表的監(jiān)測，以及將數(shù)據(jù)遙測發(fā)回地球。反應(yīng)堆啟動時使用輔助電源供電，控制主泵和控制鼓。使用高數(shù)據(jù)速率通信從基于地球的控制站發(fā)出命令，在人工協(xié)助下執(zhí)行啟動順序，或由訓(xùn)練有素的宇航員在地球操作員的支持下完成啟動。啟動預(yù)設(shè)程序借鑒“勇氣號”和“機遇號”火星探測車上使用的控制方案，具有多個保持點，即根據(jù)地面指令順序操作且在決定后續(xù)操作前，給地面操作人員預(yù)留足夠的檢查時間。如果在FSP 啟動過程中通信丟失，反應(yīng)堆可能需自動響應(yīng)未預(yù)料到的事件，因此應(yīng)具有一定程度的自治功能。在正常運行過程中，如與FSP 系統(tǒng)的通信中斷，系統(tǒng)可以繼續(xù)運行而不中斷［20］。

2.3.2 控制策略設(shè)計

流量控制策略［19］：啟動前不定時啟動主泵，防止冷卻劑冷凍；啟動過程中，根據(jù)不同的開堆階段，調(diào)整泵電壓和頻率，以改變鈉鉀合金流量；穩(wěn)態(tài)運行后，定流量運行。

反應(yīng)堆功率控制策略［19］：6 個控制鼓由直流步進(jìn)電機獨立驅(qū)動，分為2 類。其中3 個鼓是啟動鼓。啟動鼓比其他3 個鼓旋轉(zhuǎn)得更快，且同時轉(zhuǎn)動至設(shè)定功率的計算位置，此時反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)。其他鼓是調(diào)節(jié)鼓，負(fù)責(zé)細(xì)調(diào)功率。調(diào)節(jié)鼓轉(zhuǎn)速比啟動鼓慢，不完全旋轉(zhuǎn)就能使反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)，且僅可單個轉(zhuǎn)動。

6 個控制鼓具有一定的剩余反應(yīng)性，如果1 個鼓未能從反應(yīng)性最低的位置轉(zhuǎn)動，仍可正常保證反應(yīng)堆臨界；如果2 個鼓均不能從最小無功位置移動，那么系統(tǒng)不能正常發(fā)電。

在正常的穩(wěn)態(tài)全穩(wěn)定功率運行過程中，系統(tǒng)的反應(yīng)性由于燃耗逐漸下降，需定期轉(zhuǎn)動3 個調(diào)節(jié)鼓引入小的正反應(yīng)性，從而保證反應(yīng)堆溫度維持在合理的范圍內(nèi)。該反應(yīng)堆不需頻繁的反應(yīng)性控制動作，在沒有控制鼓驅(qū)動電源的情況下，也可運行較長時間，唯一的結(jié)果是反應(yīng)堆冷卻劑出口溫度和系統(tǒng)電力輸出的輕微并逐步降低。

2.3.3 FSP 控制系統(tǒng)特殊性

1）可長時間無須反應(yīng)性調(diào)節(jié)。FSP 裝置可在沒有任何反應(yīng)性調(diào)整的情況下繼續(xù)安全發(fā)電數(shù)月（甚至更長時間），SNAP-10A 地面試驗反應(yīng)堆已證明這一點，該反應(yīng)堆在沒有反應(yīng)性調(diào)整的情況下運行超過10 000 h。

2）負(fù)反應(yīng)性反饋系數(shù)大，可承受一定的瞬態(tài)工況，具有自穩(wěn)性，在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到常規(guī)的瞬態(tài)工況（如日出日落帶來的環(huán)境變化等），并可應(yīng)對部分預(yù)計外事件。反應(yīng)堆固有的負(fù)溫度反應(yīng)性反饋需可應(yīng)對大部分可能的故障模式，如主泵的損失（需要切換到備用泵）或單個斯特林轉(zhuǎn)換器的損失。因此，控制系統(tǒng)可以不主動干預(yù)反應(yīng)堆功率，而重點協(xié)調(diào)控制泵等設(shè)備，減輕對核心結(jié)構(gòu)、部件和材料的瞬態(tài)影響。對于更嚴(yán)重的事件，還需進(jìn)一步展開更為詳細(xì)的評估。

3 蘇聯(lián)TOPAZ Ⅱ型空間堆

TOPAZ 型熱離子核反應(yīng)堆電源是已得到應(yīng)用的功率最大（5～7 kW）、技術(shù)最先進(jìn)的空間核反應(yīng)堆電源。與TOPAZ Ⅰ電源相比，TOPAZ Ⅱ空間核電源采用單節(jié)熱離子元件，發(fā)射前可在臺架上開展電加熱試驗。

TOPAZ-Ⅱ反應(yīng)堆是一種小型超熱熱離子反應(yīng)堆。反應(yīng)堆采用高濃度235U 燃料，熱離子發(fā)電元件（Thermionic Power Generation Element，TFEs）同心排列成四圈，分別插入37 環(huán)形冷卻劑通道的不銹鋼內(nèi)套管中［20］，內(nèi)套管放置在慢化劑中不銹鋼外套管的孔道內(nèi)。內(nèi)、外套管構(gòu)成環(huán)形冷卻劑流道，冷卻劑從中流過，將TFEs 中沒有轉(zhuǎn)化成電能的廢熱排出堆芯，通過輻射散熱器排至太空［21-25］。

3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及總體要求

TOPAZ Ⅱ的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個裝置的監(jiān)測、控制、保護(hù)和地面通信功能。整個控制系統(tǒng)分為儀表系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)［26］。

3.1.1 儀表系統(tǒng)

儀表系統(tǒng)有4 類測量儀表：電離室、溫度、壓力和控制鼓角位置探測器，其中控制鼓角位置監(jiān)測有3 種方式：旋變、終端位置開關(guān)和電機脈沖計數(shù)器［28］。

3.1.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)由遙測控制系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Automatic Regulatory System，ARS）和供電控制系統(tǒng)組成［27-30］。

1）遙測控制系統(tǒng)：處理地面命令，中繼遙測和順序啟動動作，負(fù)責(zé)裝置頂層控制決策。

2）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：接收來自儀表的測量信號和部分地面指令，產(chǎn)生控制信號來控制控制鼓組件，負(fù)責(zé)保護(hù)極停堆功能。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計要求為：熱控制范圍為150%的功率，精度為±700 W。

3）供電控制系統(tǒng)：調(diào)節(jié)向航天器總線提供的電源，保持總線電壓在（27±0.8）V。

TOPAZ Ⅱ自動控制系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 TOPAZ Ⅱ自動控制系統(tǒng)原理框Fig.5 Block diagram of the autonomous control system

其中自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)又分為3 個獨立的控制器：電源電流控制器、反應(yīng)堆功率控制器和控制鼓驅(qū)動控制器。電源電流控制器基于熱離子發(fā)電元件輸出電流，給出反應(yīng)堆功率設(shè)定值，死區(qū)為±3.5 A；反應(yīng)堆功率控制器根據(jù)中子探測器測量到的反應(yīng)堆功率與設(shè)定值的偏差，向控制鼓驅(qū)動控制器發(fā)送命令，功率調(diào)節(jié)死區(qū)為±250 W。控制鼓驅(qū)動控制器負(fù)責(zé)驅(qū)動控制控制鼓驅(qū)動機構(gòu)的電機動作。

如反應(yīng)堆冷卻劑出口溫度超過585 ℃，限制功率設(shè)定值升高；如冷卻劑出口溫度達(dá)到600 ℃，降低功率定值，控制控制鼓反轉(zhuǎn)。

3.1.3 保護(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)主要有安全鼓及驅(qū)動子系統(tǒng)和反射層組件彈射子系統(tǒng)。

反應(yīng)堆啟動前，3 個安全鼓保持在初始位置（-2.0 $反應(yīng)性），防止在大多數(shù)不涉及水淹沒等情況下出現(xiàn)事故工況。反射層組件彈射子系統(tǒng)可在以下3 種情況將反射層組件彈射解體，快速停堆：

1）從地面接收到連續(xù)的2 個彈射命令；

2）收到2 個航天器緊急停堆信號；

3）收到2 個運載火箭緊急停堆信號。

3.2 啟動控制方案

TOPAZ 的啟堆控制策略［31-33］主要包括啟動前準(zhǔn)備、盲區(qū)啟動、提升功率階段和穩(wěn)定發(fā)電控制階段。其中，“盲區(qū)”指5%的額定滿功率（Full Power，F(xiàn)P）以下時，尚未到達(dá)中子功率探測器的最小探測水平（Minimum Detectable Level，MDL），此時中子探測器無法有效地抵抗環(huán)境噪聲，也無法提供可靠有效的示數(shù)。盲區(qū)啟動階段，控制鼓不進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過地面調(diào)試試驗得到固定啟堆鼓位序列，緩慢提升功率。當(dāng)高于MCL 1～3% FP，約6～9%FP 時，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制，通過反應(yīng)堆功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，反應(yīng)堆按照要求的速度提升功率，見表2。

表2 TOPAZ II 運行限值參數(shù)表Tab.2 Operating limit parameters of TOPAZ II

當(dāng)反應(yīng)堆電源產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電功率時，控制系統(tǒng)進(jìn)入電功率-核功率閉環(huán)調(diào)節(jié)階段，根據(jù)電功率負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。俄羅斯允許70 min 內(nèi)完成以上啟動程序，具體的啟動控制序列如圖6 所示。

圖6 TOPAZ Ⅱ啟動控制序列Fig.6 Start-up control sequence of TOPAZ Ⅱ

3.3 功率運行控制方案

TOPAZ Ⅱ有啟動模式和功率運行模式2 種調(diào)節(jié)模式。在啟動模式下，遵循預(yù)設(shè)控制要求，見表2。啟動后，控制系統(tǒng)切換到功率運行模式，由發(fā)電電流控制器確定功率定值，維持核電源的功率運行。

4 分析及啟示

空間堆控制系統(tǒng)是提升核動力裝置安全、自主、可靠和穩(wěn)定運行能力的關(guān)鍵手段。在空間堆控制系統(tǒng)設(shè)計方面，美俄均開展大量的理論研究、設(shè)計及驗證相關(guān)工作，雖然目前其較多型號的設(shè)計僅停留在概念設(shè)計階段，且公開的空間堆控制系統(tǒng)運行經(jīng)驗反饋和控制算法相關(guān)的文獻(xiàn)較少，但設(shè)計和研究工作一直是空間堆研發(fā)的重難點之一。

目前，各國空間堆控制系統(tǒng)研發(fā)面臨不同型號空間堆控制特性不同，缺乏實驗數(shù)據(jù)、計算模型缺乏實驗驗證、系統(tǒng)運行與動態(tài)特性缺乏經(jīng)驗、空間任務(wù)復(fù)雜多樣，以及控制系統(tǒng)自主性與可靠性要求高等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。綜上所述，本文對未來空間堆控制系統(tǒng)研發(fā)，提出幾點思考。

1）空間堆自治控制應(yīng)注重高可靠性而不是高智能性：空間堆自治控制涉及控制系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)，而不應(yīng)簡單地在控制算法方面盲目追求新型的智能算法。允許對預(yù)期事件進(jìn)行一定程度的降級和容錯控制。整個控制系統(tǒng)可控制性的實現(xiàn)，需綜合考慮多種控制策略、先進(jìn)的測量設(shè)備、冗余的通信手段等多個方面。

2）控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方面，建議根據(jù)不同型號地核動力裝置的空間任務(wù)、運行工況、工藝設(shè)計等，靈活設(shè)計，采用多層架構(gòu)，如頂層遙測指揮層、智能輔助控制層、自動控制層等架構(gòu)。

3）控制策略研發(fā)方面，充分掌握裝置的靜態(tài)、動態(tài)控制特性，并結(jié)合工程實際開展驗證試驗等工作；同事針對不同型號的空間任務(wù)不同，覆蓋地面階段、發(fā)射準(zhǔn)備階段、發(fā)射及部署階段、運行階段、廢棄處置階段等不同任務(wù)階段控制策略的設(shè)計。

4）設(shè)計驗證方面，空間堆控制系統(tǒng)應(yīng)在實堆試驗前開展數(shù)字和半實物仿真驗證試驗，進(jìn)而最大程度地驗證其設(shè)計的合理性，縮短研發(fā)周期。

5 結(jié)束語

本文研究成果將為空間堆控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考，闡述了美俄典型型號的空間核動力裝置的控制系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀，從控制系統(tǒng)總體要求與架構(gòu)設(shè)計、自動啟動控制方案、功率運行協(xié)調(diào)控制方案等幾個方面總結(jié)其設(shè)計方案及特色，結(jié)合未來空間核動力的發(fā)展需求，以期為未來多種型號的空間堆控制系統(tǒng)的研發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。