空间堆核动力技术选择研究

目前,基于太阳能、化学能的空间电源与空间推进技术,其技术能力的发展已接近极限状态,未来亟需开发基于核能的先进空间动力技术。针对低成本空间轨道运输、高功率载荷航天器、深空探测器、行星表面探测与开发等应用场景,以空间堆核电源为重点,分析了国际发展现状和未来航天需求,分别针对大功率(100 kWe～1 MWe)和小功率(1 kWe～10 kWe)应用需求,提出了技术主导方案,围绕主导技术方案梳理了关键技术,为我国空间堆核动力技术发展规划和预先研究提供参考。     

100 kWe月面核电站方案研究

随着太空探索活动的深入开展,在月球表面建立有人基地成为必然选择。与常规化学能或太阳能相比,月面核电源具有诸多优点,是月球基地的最佳能源选择之一。本文提出了电功率100 kWe的核反应堆电源系统方案,给出了该方案的关键系统参数。针对反应堆模块,展开方案选型、参数优化、常规物理参数分析、初步热工分析和特种临界安全分析等工作。计算结果显示:燃料包壳温度小于使用限值,掉落事故工况下有效增值因数均小于0.98。该设计方案满足各项技术指标和设计准则。     

高速PCB的仿真与EMC设计方法探讨（Ⅰ）

以高速系统的信号完整性（SI）仿真、电源完整性（PI）仿真以及EMC分析为基本出发点。着重介绍了基于电路与电磁场仿真分析工具及EMC设计规则解决板级PCB设计中EMC问题的过程、高速PCB的电源分配系统（PDS）的构建以及高速PCB仿真设计中电源完整性分析过程，通过EDA分析工具实现PCB的建模与分布参数提取；通过电磁场分析工具完成网络参数定量分析，从最基本的设计方法入手，提出了高速PCB的信号系统与电源系统设计参数优化方案，指出了信号与电源完整性仿真设计和EMC设计的内在联系，希望本文能给予正在从事产品EMC设计的可靠性工程师、高速系统仿真设计工程师提供解决此类问题的新思路与新方法。     

空间核动力平台电力管理系统的设计

空间核动力平台是一种全新的电源推进一体化航天器,其电力系统具有三相交流输出、工况多且复杂、母线电压体制多等特点。为了解决空间核动力平台负载供电诸多难题,通过对系统功能、负载类型、母线体制、组成配置、工作模式、控制机制等方面论证分析,提出了一种新型空间核动力平台电力管理系统架构。其中,变配电系统从硬件实现角度解决了基于布雷顿热电转换系统输出为负载稳态供电问题,自主控制系统从软件控制角度解决了主能源、辅助能源等多能源间流动控制以及负载暂态匹配问题,这为未来空间核动力平台电力管理系统研究工作奠定了基础。     

航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

空间核动力装置控制系统设计分析及启示

空间核动力装置执行深空任务具有复杂性和特殊性，对其控制系统的研发提出较多独特的挑战。研发具有高可靠性和高自主性的控制系统，一直是空间核反应堆领域的研究重点及难点之一。对美俄(苏联)从20世纪80年代至今典型空间堆控制系统的研发方案展开调研，分别从控制系统的总体要求、架构设计、启动控制策略、额定工况下功率控制方案等方面，对其设计现状进行分析和归纳，总结美俄不同型号空间堆控制系统的设计及其特殊性。在美俄空间堆控制系统设计的经验基础上，为不同型号空间堆装置控制系统的设计提供借鉴。     

可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究

概述了可再生燃料电池的工作原理和特性;介绍了国外可再生燃料电池的空间应用,在"太阳神"无人机和平流层飞艇上的设计验证经验,以及国内的技术发展水平;分析了可再生燃料电池系统应用于空间电源所要解决的系统优化设计、电解器和燃料电池的高性能及安全性设计、功率控制器的集成化设计、氢气/氧气的空间储存及后处理等关键技术;提出了用于空间电源的可再生燃料电池系统初步设计方案,对系统的组成和工作流程、各子系统的功能和设计方式进行了论述,可为我国未来的新型航天器电源系统设计提供参考。     

在轨模块更换任务动力学与控制仿真系统

航天器在轨模块更换任务的总体仿真是对总体方案进行系统性分析和论证的重要手段。文章基于天基平台在轨模块更换技术的研究,搭建了在轨模块更换仿真演示验证系统,介绍了仿真系统总体架构,建立了包括空间环境、轨道、动力学、控制、电源、测控等各分系统在内的仿真系统。重点对交会对接、在轨模块更换过程涉及的航天器平台及机械臂的动力学特性...     

空间核动力技术概览与发展脉络初探

在概略介绍现有技术方案基础上,初步探讨空间核动力技术的发展脉络,并分析其未来发展方向.基于固体核反应堆的空间核电源、核电推进及核热推进,是经过试验验证可行、具有一定技术基础并可预期实现空间应用的空间核动力技术.更先进的概念方案包括:基于气体核反应堆的核电源/核热推进、脉冲核爆推进、核裂变碎片推进等,它们的性能逐代跨越直至逼近理论极限.要充分利用核能的潜力,一方面需要提高单位质量核燃料的核能释放率,另一方面也需要减少核反应产物动能转换为无轨热运动的比率.核能潜力的充分利用需要以增加系统质量为代价.为满足未来宽广的空间任务需求,多物理机制驱动的大深度变工况一体化核能空间动力系统是未来必然发展趋势.     

载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究

针对载人月球探测工程任务需求,设计了一种基于混合云架构的体系仿真系统,实现了辅助设计、方案验证和协助任务等功能应用。分别从任务设计和应用模式角度分析了体系仿真系统功能需求;根据需求给出体系仿真系统总体架构,采用仿真平台和仿真支持库统筹建设的方式,完成了系统开发与集成;提出了针对体系仿真系统建设涉及的体系建模、任务规划、推演展示、效能评估和系统联动与扩展关键技术实现方案;应用该系统实现了对典型载人月面活动场景的仿真,得到了关键参数模拟推演结果,验证了体系仿真系统各项功能有效性和正确性;最后给出了思考和展望。该体系仿真系统可支撑未来载人月球探测相关任务开展发展论证和综合评估验证,能够为同类系统开发提供方案参考。     

空间核反应堆安全分析

空间核反应堆是空间能源的重要候选方案,其寿命长、功率大、结构紧凑,但其特有的中子学特性、与传统快堆迥异的设计方案对堆芯安全分析提出了挑战。本文以热管型空间堆为例,首先基于蒙特卡洛方法对空间堆在水淹和沙埋事故工况下,进行了稳态中子学计算分析,结果表明:堆芯在事故工况下不会重返临界。同时,基于瞬态多物理分析程序TMACS,进行了单根控制鼓旋转瞬态过程计算。结果表明:空间堆在热工反馈和热膨胀反馈的多物理耦合下,在特定的瞬态过程中能够保持功率稳定,满足安全要求。     

基于改进型(14,8)循环码的SRAM型存储器多位翻转容错技术研究

SRAM型存储器空间应用通常采取纠一检二(SEC-DED)的方法,克服空间单粒子翻转(SEU)对其产生的影响。随着SRAM型存储器工艺尺寸的减小、核心电压的降低,空间高能粒子容易引起存储器单个基本字多位翻转(SWMU),导致SEC-DED防护方法失效。在研究辐射效应引起的SRAM型存储器多位翻转模式特点的基础上,提出一种基于改进型(14,8)循环码的系统级纠正一位随机错和两位、三位突发错同时检测随机两位错(SEC-DED-TAEC)的系统级容错方法。基于该方法的存储器系统容错设计具有实现简单、实时性高的特点,已成功应用于某型号空间自寻的信息处理系统。仿真试验及实际应用表明,该方法可以有效防护SRAM型存储器件SWMU错误,有效提高了空间信息处理系统可靠性,可以为其它空间电子系统设计提供参考。     

空间核反应堆电源研究进展

随着航空航天领域对能源需求的不断扩大,核能的空间应用迎来了新的发展高潮。本文针对空间核反应堆技术的发展现状进行综述,重点关注了空间核反应堆与静态能量转换、动态能量转换技术结合供电的研究进展,总结分析了空间核反应堆电源技术的发展特点,并指出未来发展中需要重点关注的内容,为未来空间核反应堆电源的发展提供指导。     

兆瓦级探月火箭空间核电源系统设计与性能研究

针对目前空间核电源在深空探测领域功率不足的问题，结合热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的发电方式，提出一种新型空间核电源。计算堆芯有效增殖因子、功率峰值因子、冷却剂空泡系数和停堆深度等安全性参数，并通过分析接收极功函数和碱金属热电转换系统电流密度等性能参数。之后，对比耦合发电系统与原热离子热电转换空间核电源和碱金属热电转换空间核电源的效率，发现新型耦合发电系统发电效率分别较另两种发电系统提高约6％和约10％。最后建立动态模型进行分析，确保核电源可以稳定运行，为大功率核电源设计提供理论依据。     

核反应堆空间应用研究

对美国、俄罗斯等国家的核反应堆空间应用进行了研究。其中包括:美国最早研究的SNAP-8系列,可提供多种组合输出的SP-100布雷顿能量系统,应用于火星表面的核反应堆MSR系统等;俄罗斯和日本在月球表面或火星表面应用的核反应堆。重点对空间核反应堆的堆型、堆芯冷却方式、热电转换方式、废热排放方式、辐射屏蔽模式等进行比对分析。结合月球基地能源系统的应用背景,对实现核反应堆空间应用需要解决的关键技术进行了分析,如发射安全技术、无人自主管理技术、空间低重力环境适应性及辐射防护技术等,可为我国未来空间探测任务的能源系统研究提供借鉴和参考。     

小型核反应堆自主控制及其深空探测应用设想

针对空间小型模块化核反应堆的自主控制问题，提出自主控制体系结构，降低反应堆控制对人的依赖程度，满足了深空探测任务对空间堆自主控制的需求。首先介绍了核反应堆自主控制技术和空间探测自主技术的发展现状，分析了空间小型堆的自主控制需求，然后阐释了自主控制及核反应堆近自主控制的内涵。最后基于空间堆的运行特点，给出小型堆近自主控制分层体系结构的组成元素，并进一步建立了融合决策层和功能层的小型堆多智能体自主控制体系结构。     

航天磁悬浮发射脉冲磁流体供能系统方案分析

针对航天发射低成本、安全可靠运输方式的需要,阐述分析了航天运载器磁悬浮发射概念及其能量供给需求。在重点研究了固体火箭燃料脉冲磁流体发电机的关键技术及发展水平后,基于俄罗斯四台“Sakhalin”脉冲磁流体发电机单元,提出和设计了用于助推发射100吨地面载荷(飞行器和磁悬浮橇体)实现4g加速度的能量供给方案,同时分析磁悬浮发射过程中三相直线电机加速和控制的特点,提出可行的逆变器功率转换系统方案。     

嫦娥五号探测器供配电系统设计与验证

结合嫦娥五号探测器主要任务特点,简要介绍了多器供配电系统的功能需求、多器联合供电方案设计,并通过能量平衡仿真分析、多母线融合控制等关键技术,解决了嫦娥五号探测器在复杂空间环境下多任务、多模式的高可靠轻小型化供配电系统设计难题。在轨飞行试验结果表明:供配电系统功能正常、工作可靠、性能优良。提出的嫦娥五号探测器多器组合一体化供配电系统分析与设计方法,满足并确保了月面无人自动采样返回任务可靠实现,可为未来探月工程及其它深空探测领域供配电系统设计提供参考和借鉴。