空间核动力源的安全性研究进展

同位素热/电源以及空间核反应堆在深空探测任务中有重要应用。通过调研其技术特点以及国际上针对核能空间应用安全性的相关规范,研究了其空间安全性规范的法律法规。以ALRH(Apollo Lunar Radiosotope Heater,阿波罗月球任务同位素热源)、GPHS(General Purpose Heater Source,通用型热源)、LWRHU(Lighted Weighted Radiosotope Heater Unit,轻量放射性同位素热源)、MMRTG(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator,多任务型放射性同位素电源)等同位素热/电源及俄罗斯热离子空间反应堆电源(TOPAZ-II型号)为例,结合美俄开展的同位素热/电源的系列安全性试验,重点关注了不同型号的试验及分析技术细节,并分析了同位素热/电源的空间应用安全评价方法,可为开展相关研发提供技术参考。     

美国“千瓦电源”空间核裂变反应堆技术现状与发展

正随着太空探索的深入和持续时间的延长,提供比以往任何时候都更耐用、更有弹性、更可靠的能源是至关重要的。小型空间核裂变反应堆电源具有环境适应性好、功率覆盖范围广、结构紧凑,以及大功率条件下质量功率比小等突出优点,在深空探测等航天任务中将具有广阔的应用前景。美国国家航空航天局(NASA)将采用1～10k W"斯特林"(Stirling)能量转换方式的核裂变发电技术列为其新版技术路线图中重点发展的方向之一,其目前主攻开发的10k W级"千瓦电源"(Kilopower)反应堆系统代表着当前国际上"斯特林"发电技术领域最先进的发展水平。     

热离子质谱分析仪的研制及定标

热离子质谱分析是空间等离子体探测的核心技术之一.热离子质谱分析仪采用了半球形静电分析器结合基于碳膜的飞行时间系统方案,是目前应用最广泛、最成熟的空间热离子质谱分析技术.热离子质谱分析仪解决了三项关键技术,即5mV高分辨扫描高压,10~20nm超薄碳膜处理以及30kV超高加速电压.分析仪原理样机在瑞士伯尔尼大学完成了定标试验,实现指标参数如下:能量范围为0.499eV~29.94keV,能量分辨率为10.5%;能够实现离子成分H+,He+,O+的分辨;视场范围为360°×8.4°,角度分辨率为22.5°×8.4°.基于热离子质谱分析仪的研制基础,可以进一步开发出更高质谱分辨、更大探测视场以及小型化的等离子体探测载荷.      

美国空间核动力斯特林电源系统技术发展分析

正随着航天技术的不断发展,世界各航天大国均加快了远距离航天任务的规划与部署,这些航天任务航行距离远、持续时间长,所处空间环境恶劣,需要使用空间核动力供电系统。空间核动力斯特林电源系统是一种采用动态斯特林热电能量转换技术的核动力电源系统,主要由核热源、活塞式斯特林发电器和控制器等部件组成,具有长寿命、高功率、高热电转换效率、组合方式灵活等优点,在深空探测、星表登陆等航天任务的供电需求中具有较高的发展潜力和竞争力。目前,仅美国开展过大量的空间核动力斯特林电源系统的设计与技术研究工作,其最早的研发工作可追溯到20世纪70年代,已取得大量的阶段性成果。     

空间同位素热/电源安全性技术指标体系框架研究

基于我国空间同位素热/电源使用环境特点,借鉴国外空间同热/电源安全认证的研究成果,通过对空间同位素热/电源应用环境剖面的分析,开展了空间同位素热/电源安全技术指标体系框架研究,建立了覆盖同位素热/电源产品研制、地面贮存/运输、发射准备、发射、在轨运行及废弃处置等全生命周期的正常和事故环境下的安全性技术指标体系,提出四大类型29项可考核技术指标,可作为空间同位素热/电源研制和安全性使用评价工作的主要依据,为解决我国使用空间同位素热/电源缺乏安全认证体系和安全性验证技术指标问题提供参考。     

空间电源系统寿命预测技术发展综述

空间飞行器在轨工作期间,电源系统受空间环境及自身工作特性限制,性能会发生衰减,直接影响飞行器的供电和工作寿命。从空间电源系统的工作原理出发,分析了导致能源衰减的主要因素;结合目前国内在电源寿命预测技术方面的进展,提出了目前寿命预测技术所面临的难点及后续的主要攻关方向,为其后续工程化应用和实施提供解决途径。     

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。     

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。     

深空探测先进电源技术综述

先进电源技术是保障深空探测任务顺利进行的前提和基础。在梳理我国后续深空探测任务(月球极区探测、小天体探测、火星探测、木星探测等)对电源系统需求的基础上,对涉及空间应用的电源技术(化学能、太阳能、同位素及空间核反应堆电源)进行概述;针对深空探测对电源系统的需求特点,分别阐述了锂离子蓄电池、太阳能电源、钚-238放射性同位素电源和空间堆核反应电源的特点、发展简史、在深空探测中应用限制及发展建议,重点分析了钚-238同位素电源和空间核反应堆电源技术的关键技术、应用情况及应用前景,为深空探测先进电源技术的长足发展提供参考。     

空间核反应堆电源技术概览

空间核反应堆电源具有环境适应性好、功率覆盖范围广、结构紧凑以及大功率条件下质量功率比小等突出优点,在军民航天任务中具有广阔的应用前景,是改变未来航天动力格局的颠覆性技术之一。对空间核反应堆电源的原理、特点、适用范围、应用前景、历史发展情况及现状、典型方案、应用安全等进行了系统介绍,对技术发展趋势进行了分析总结,并就我国该技术发展给出一些见解。     

核动力深空探测器现状及发展研究

深空探测中,由于无法使用太阳能或者太阳能的利用效率太低,需要使用空间核电源。当前用于月球表面、火星表面、木星及以远的飞行任务中的核动力深空探测器,均利用的同位素核源衰变能,包括同位素热源用于温度控制和采用温差发电用于供电。研究中的深空探测核动力应用包括月球基地、载人火星飞行、无人探测、使用核反应堆裂变能等。空间裂变电源的反应堆包括液态金属冷却堆和气冷堆两种方式,前者支持温差、斯特林和布雷顿发电,后者支持布雷顿和磁流体发电。近期开始探索研究核聚变深空探测器。纵观核动力深空探测器的发展历程,同位素电源依然在深空探测中发挥着重要作用,大功率空间核电源结合电推进将成为未来深空探测的重要关注方向。     

空间探测用半导体温差发电系统

核热半导体温差发电器是目前空间探测器常用的电源系统,特别是对于那些远离太阳的空间探测器,这种装置是目前唯一实用的供电系统。它作为空间探测器不可缺少的关键部分,以及在可以预见的未来空间探测中起着的重要作用,一直是美国航空航天局(NASA)空间计划中的一个重要研究项目。文章将介绍这种电源系统的基本结构、主要特点及其应用。     

深空探测推进技术发展趋势

推进技术是制约深空探测能力的重要因素,由于深空探测航天器自身特点和任务需求的多样性,对推进系统类型的要求也不尽相同,需要在推力、比冲、功率、重量等关键指标选择方面进行综合衡量。对当前和未来适用于深空探测任务需求的几种典型空间推进技术的发展情况进行了阐述,包括混合模式推进技术、太阳能电推进技术、空间核电推进技术、帆类推进技术等,介绍了这些技术的研究进展和应用情况,并对后续应用进行了展望,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

火星大气层的主要成分为二氧化碳,如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳,使其转化为氧气和一氧化碳加以利用,可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本,进一步提高生命保障能力.低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分,可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离,是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式.设计了一种...     

核热推进技术发展综述

核热推进具有比冲高、推力大,及工作时间长等特点,在载人深空探测、大型星际货物运输等方面有广阔的应用前景。介绍了美国和俄罗斯/前苏联的核热推进技术研发历程和技术发展状态,归纳总结了发展过程中呈现出的推力水平中等化、堆芯构成模块化、燃料元件高性能化、试验手段非核化和多功能模式化的发展趋势,并初步分析了核热推进研发过程中所涉及的反应堆设计技术、核安全防护设计技术、燃料芯块制备技术、燃料元件成型技术、排气处理技术,及发动机启动技术等关键技术。最后对我国核热推进技术发展提出了核与航天部门合作研发、借鉴美俄经验教训、及早并持续开展研究的发展建议。     

Energy requirements of a thermally processed ISRU radiation shield for a lunar habitat

The purpose of this study was to establish, on a first principles basis, the order of magnitude of energy requirements for a thermally processed, lunar regolith radiation shield constructed using an in-situ resource utilisation (ISRU) approach. This was done by developing a reference scenario habitat and using thermodynamic relationships and specific heat capacity expressions to determine the energy required to bring such a regolith volume up to sintering temperatures (c. 1,375 K). Once the energy requirements were developed some power system architectures were outlined conceptually and a nuclear power plant of c. 400 kW was suggested as a means to supply the necessary energy. This is well beyond current space nuclear applications. The study concludes that it is likely that the most efficient near-term solution is chemical processing of regolith, from an energy requirements perspective. The technology is also more mature and likely to be delivered on near term projects as it does not require such scaled-up power system architectures. Alternatively, bringing storm shelters up with the habitat to provide a means of weathering major solar events, and adding additional radiation protection to habitat quarters, possibly through a water blanket or similar mechanism, could provide a non-ISRU solution with current technology. However, in the longer term, the development of MW-scale power system architectures (fission, solar etc.), may permit a very large volume of material to be processed thermally for construction material, making a large, permanent human presence on the Moon more easily realisable.     

地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径,是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器,采用流动反应器设计,用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用,实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器,理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响,尚需进行微重力试验进行验证。同时,微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件,获得优化的反应条件。通过地面试验,验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料,3V电压条件下,O２产率可达11.74mL/h。此外,基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置,形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统,并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。