深空探测核电推进技术发展

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1、深空探测核电推进技术发展李文峰，张天平兰州物理研究所甘肃省兰州市94号信箱730000摘要核电推进系统即把核裂变、核聚变、放射性同位素衰变、反物质湮灭等过程产生热能转化为电能并提供给电推力器以产生推力的系统。核电推进为低推力高比冲推进，核反应堆、放射性同位素发电机的高功率密度特性和电推进的高效率特性组合，使得核电推进技术正在成为人类进行更有效深空探测的支撑技术。本文在调研国外核电推进技术发展和空间系统应用情况的基础上，从核电推进的基本概念、放射性同位素电推进技术、核裂变反应堆电推进技术等方面系统介绍了核电推进技术的发展历史、技

2、术现状和未来应用等情况，并简要展望了我国发展核电推进技术的前景。关键词核电推进技术，深空探测，放射性同位素，核裂变反应堆1引言深空探测的主要动力包括太阳系的形成和生命的起源问题，深空探测对推进的要求包括具有输送不断增加载荷到更远距离的能力，缩短输运周期，发射不依赖行星位置状态、在目的地或多个目的地完成机动性能。而事实上，太阳系外行星和火星表面探测历来受制于能源缺乏问题，传统长寿命航天器的能源供应采用太阳能技术，随着航天器离开太阳距离的增加，这一能源的效率快速降低。同时，外行星的遥远距离使得探测航天器的使命周期长达10年以上，更

3、高能量的运载器虽然可以缩短旅途时间，但费用昂贵、效率低下，对有些遥远外行星的轨道环绕观测，如果没有更加有效的方法，根本无法实现。核能是人类已知的具有最高可利用能量密度的能源，产生核能源的方式包括放射性同位素衰变、核裂变反应、核聚变反应、反物质湮灭等四种，在空间运输系统中利用这些核能源以形成航天器推进能力的方式包括核热推进、核电推进、核爆炸推进等，其中基于放射性衰变和核反应堆的核热和核电推进技术已经具备了较高的技术发展水平。核电推进系统把核裂变、核聚变、放射性同位素衰变、反物质湮灭等过程产生热能转化为电能并提供给电推进系统，相对

4、核热或化学类型的高推力低效率推进，核电推进为低推力高比冲推进，核反应堆、放射性同位素发电机的高功率密度特性和电推进的高效率特性组合，使得核电推进应用星际距离使命具有显著优势，基于核裂变反应堆的核电推进技术正在成为人类进行更有效深空探测的支撑技术。2深空探测与核电推进2.1核电推进系统概况核电推进系统的本质是核能源系统与电推进系统的有机组合，也就是利用核能驱动电推进工作的系统，这种驱动是间接的，因为需要进行核能与电能的转换过程，图一为核电推进系统的基本组成框图。图一核电推进系统的基本组成核电推进系统产生核能的基本形式有四类：放射

5、性衰变核能、裂变反应核能、聚变反应核能、反物质湮灭核能，目前的技术发展主要集中在前两类。四种产生核能方法的典型例子分别为：核电推进系统的能量转换方式的选择有静态还是动态之分，静态包括热电、热离子和热光电等，产生直流电，动态包括Rankine循环、Brayton循环和Stirling循环等，产生交流电，动态转换方式的效率要比静态方式高。核电推进系统的电推进类型包括离子电推进、霍耳电推进、磁等离子动力电推进、可变比冲磁等离子体电推进、脉冲感应电推进、脉冲等离子体电推进、场发射电推进、胶体电推进等。2.2深空探测对核电推进的需求图二

6、左边所示为各种主要推进系统的功率水平和工作周期情况，右边所示为太阳系各大行星离太阳距离和太阳光强度变化情况，基于核裂变反应堆和放射性同位素能源的空间推进系统以它们独特的空间应用性能优势，正在受到越来越多的重视。分析表明，核电推进能够显著增加有效载荷、降低发生运载需求，对有些外行星使命还可以缩短旅途时间。例如，核能转化为电能，可以省去航天器的太阳翼，因为对木星以外行星的探测航天器，太阳翼的尺寸需求将大到不合实际的程度；又如，核能可以为火星表面任意位置的探测器提供电能和热能，而太阳阵能源仅在火星赤道和低纬度区有效。总之来说，核能源

7、能够极大促进对太阳系遥远区域的多目标探测，核能源和核推进也是未来火星载人使命的需求技术。图二核电推进系统的基本组成深空探测航天器应用核裂变反应堆和放射性同位素热电发电系统的主要优点包括：1）可以连续工作而不依赖太阳方位和距离。对深空探测来说具有充足能源始终是本质性的技术挑战，对外行星探测使命而言，由于太阳能量密度的严重下降，太阳电池和太阳动力变得不现实，核动力和推进系统是目前最好的选择。2）在太阳功率密度很小或太阳动力不连续的场合提供动力。地球阴影环境和极区使命因为能量产生和贮存问题而变得困难，月球两极坑、火星高纬度区太阳能技

8、术无法应用，核电动力可以摆脱这些束缚或限制。3）长期工作（几年到十年）在数毫瓦到数百千瓦功率。图三为太阳系外行星探索需要的使命周期与速度增量及推进功率之间的关系，可见化学和太阳电推进最多只能实现木星的飞过而不能实现轨道环绕，而75～250千瓦电功率的核裂变电推进系统，基本可以