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.     

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。     

多模式太阳能热推进的性能计算和分析

在分析直接式、间歇式和补燃式三种工作模式太阳能热推进(STP)的技术特点的基础上,基于太阳能高温对流换热和工质换热的光热学理论,建立三种工作模式STP的物理数学模型,分别计算其推进性能,并分析了聚光器参数,推进剂种类,工质对流换热性能等因素对三种工作模式STP推进性能的影响。计算结果表明,当有效聚光半径为4 m,以氢气为工质时,直接式STP比冲800 s左右,推力约10 N;氢气过量系数在2～5之间时,补燃式STP推进性能较好。     

核推进的空间应用浅析

首先通过比较太阳系各天体探测所需速度增量与各种推力器能达到的喷射速度,阐明核推进对于太阳系探测的重要性;随后,在简要介绍几个典型的基于核推进的空间任务设计方案后,通过参数化宇航动力学分析,阐明在当前或近期可达到的技术水平下,基于各种核推力器的航天器所能实现的任务能力,并比较分析各自的优劣,指明改进方向.分析表明,化学推进的适用范围极其有限,要真正实现太阳系内广阔区域的大规模探索开发,必须依靠核推进;基于固堆核热推进的当前技术指标已经能够满足相当一部分雄心勃勃的航天任务需要,在不远的将来实现广泛应用是可以预期的;核电推进尽管在技术上已经可以实现,但要能够在近期的航天愿景任务中获得超越固堆核热推进的优势,尚须在技术上实现进一步突破,尤其需要大幅降低核电源质量.     

核热推进反应堆燃料元件发展概述

深空探测作为我国航天领域未来的重要任务之一,需要性能更高的推进系统提供动力。核热推进系统具有高比冲、大推力、长运行寿命、可重复启动等优点,可为未来深空探测任务提供可靠的动力支撑。经过了60多年的发展,核热推进固态堆芯燃料元件被研制出了多种类型,如六棱柱石墨基燃料元件、扭曲条带燃料元件、六棱柱金属陶瓷燃料元件、球形包覆颗粒燃料元件、MITEE型燃料元件、SLHC型燃料元件、Grooved Ring型燃料元件等。总结归纳了核热推进固态堆芯燃料元件的发展状况,提出了发展核热推进固态堆芯燃料元件的关键技术,可为我国核热推进系统燃料元件的研制提供借鉴。     

霍尔电推进技术的发展与应用

霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大、比冲高及系统可靠等优点,在20世纪60~70年代突破关键技术、完成空间试验后,在俄、美、欧等航天器上获得大量应用,执行位置保持、轨道转移、轨道调整和深空探测主推进等任务。目前,100 W级到5 k W级功率的霍尔推力器已经实现在轨应用,100 k W功率的霍尔推力器已在研制中。针对未来载人深空探测、GEO卫星、低轨和超低轨卫星及轨道机动飞行器等任务需求,霍尔电推进朝着更大功率包络,更强多模式调节能力,更高性能,更长寿命及推进剂多样化等方向发展。在分析霍尔电推进技术特点和适用任务后,对国内外霍尔电推进技术的发展现状、任务应用等进行了综述,最后对霍尔电推进的发展趋势进行了展望。     

核热火箭发动机系统循环方案分析与设计

核热火箭发动机是未来实现载人火星探测的首选动力方案,其具备高比冲、大推力和长工作寿命等优点。我国在此方面研究较少,亟需开展核热推进技术理论及方法的研究。核热火箭发动机系统循环分析与设计是关键问题之一,对推进系统总体设计有重要意义。分析了3种可用于核热火箭发动机系统循环的方案特点,基于闭式膨胀循环设计了比冲为910 s ...     

空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

俄罗斯宇宙核电动力发展研究

<正>近年来,随着太空探索的不断推进,空间核动力技术在世界范围内掀起热潮,该技术可以将核能转换成热能、电能或推进动力,以满足多种航天器的飞行需求。相比化学燃料、离子推进和太阳能推进等技术,空间核动力技术具有抗辐射能力强、体积小、质量轻、寿命长、窗口利用率高等诸多优点。在空间核动力技术领域,俄罗斯取得的成果不容小觑。自20世纪70年代以来,苏联/俄罗斯有关科研单位及企业就一直在开发可用于轨道间拖船的核动力装置,积累了深厚的技术基础。核动力技术应用潜力广泛,例如,用于建立月球基地、载人火星考察、星际航行等太空探索任务,将航天器低成本送入高轨,太空垃圾清除,以及保护地球免受彗星、陨石威胁等方面。     

适用于微纳卫星的微型电推进技术研究进展

微型电推进技术具备体积小、质量轻、功耗低、比冲高等特点,是微纳卫星最合适的动力技术.结合微纳卫星对微型电推进系统的技术需求,综述了微型离子推力器、低功率霍尔推力器、场致发射电推力器、离子液体电喷雾推力器、真空电弧推力器、脉冲等离子体推力器等六种典型微型电推力器的工作机理、性能参数范围及研究和应用现状,分析了气体工质电离...     

两种激光烧蚀微推力器工作模式的讨论

激光烧蚀微推力器技术是激光推进技术最有可能率先实现工程应用的技术研究方向。作为一种新型的空间推进领域电推进推力器技术,以其系统集成度较高、电功耗较低、冲量元精准等优势特性,在推进性能和系统集成等方面形成鲜明的特色,对于多种空间推进任务具备潜在的应用价值。以激光烧蚀微推力器发展历程为背景,总结提炼当前推力器技术发展趋势,提出了激光烧蚀微推力器目前最具研究价值的两种工作模式,分别对高低比冲两种不同工作模式进行了性能分析和比对,对激光烧蚀微推力器应用前景进行了展望,最后给出了进一步研究的建议。     

水基推进系统综述

水基推进系统的发展为航天器推进、供电、能量储存、系统构建提供了新的选择。这一系统的核心是一体化可再生燃料电池,它利用太阳能电池帆板提供的电能电解水．产生的氢氧气体既可以用于燃烧推进,又可以通过燃料电池反应重新复合为水进行供电。介绍了水基推进系统的基本组成与工作原理,通过质量估算与性能分析,评估了水基推进系统的工作能力、适用范围及空间应用优势。     

核热推进载人火星探测方案设计

针对载人火星探测任务,结合我国现有技术基础,提出我国载人火星探测方案,重点研究载人火星探测任务推进系统的设计。首先,综合考虑载人深空探测任务的约束,采用Pork-Chop图设计了适用于不同任务场景的转移轨迹;然后,参考我国空间站技术,基于核热推进系统设计了我国载人火星探测任务的飞船;最后,对核热推进系统的发动机台数和推力进行了优化,得到了适用于不同任务场景的最优推进系统组合方案。本文所研究内容为我国未来载人火星探测任务提供了有益参考。     

电推进在深空探测主推进中的应用及发展趋势

随着太阳能电池阵列电功率的不断增长,高比冲电推进在深空探测主推进任务中的应用成为现实,且有明显增加趋势。在我国实施两次月球探测任务之后,深空探测将成为我国航天领域的重要组成部分。从20世纪90年代末开始,美国、日本和欧洲相继发射了四个由电推进执行主推进的深空探测器-深空一号探测器、隼鸟号小行星探测器、智慧一号月球探测器和黎明号小行星探测器,极大地提升了深空进入能力,且获得了很多科学数据。本文分析深空探测主推进对电推进的需求,对电推进在深空探测主推进任务中的应用现状进行综述,分析关键技术和发展趋势,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

核热推进技术综述

分析了核热推进相对于现有传统推进技术的优势,介绍了可能的技术实现途径,重点是目前已经实现的固相核热推进技术,并归纳了有关文献对于固相核热推进技术的空间应用分析结果;介绍了核热推进技术的发展历程,并对当前发展态势进行了分析;最后针对我国发展核热推进技术提出几点考虑。     

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。     

国外空间推进技术现状和发展趋势

空间推进技术通常可分为常规化学推进、电推进、微推进和新型推进4大类。常规化学推进是目前航天器的主要推进方式,性能继续提升。电推进已成功证明其优势和可靠性,在各种卫星和深空探测器上大量应用,且朝更宽泛功率的方向发展。蓬勃发展的微小卫星对微小推力、小质量、低功耗的微推进提出了迫切需求。无毒化学推进、太阳帆推进、核推进等新型推进技术正在加紧研制或进行空间飞行试验。首先综述国外卫星和深空探测器等航天器的各类空间推进技术应用和研究现状,然后分析其发展趋势,最后提出对我国空间推进技术的发展建议。     

螺旋波等离子体推进器原理研究

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。