模塊化核動力航天器設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)

王 釗，夏陳超，康志宇，唐生勇，于 宏

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海航天科技集團(tuán)公司 第八研究院空間科學(xué)總體部，上海 201109；3.中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413）

0 引言

空間核動力目前在國外已經(jīng)開展空間應(yīng)用，而在國內(nèi)則處于方案探索及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。已有文獻(xiàn)主要針對以下方面開展研究：文獻(xiàn)[1]在梳理空間核動力技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，初步探討空間核動力技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，分析未來發(fā)展方向；文獻(xiàn)[2]針對同位素電源、反應(yīng)堆電源及核推進(jìn)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用情況和發(fā)展情況開展研究，并針對深空應(yīng)用的技術(shù)問題進(jìn)行展望。本文在總結(jié)國外發(fā)展歷程趨勢的基礎(chǔ)上，梳理空間核動力航天器的研制特點，結(jié)合模塊化航天器內(nèi)涵，提出模塊化核動力航天器的設(shè)計方案，并針對模塊劃分模式、體系構(gòu)建模式進(jìn)行探討，梳理模塊化核動力航天器技術(shù)難點，為未來不同功率量級核電源空間應(yīng)用提供參考。

1 核動力航天器概述

空間核動力系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成的組合系統(tǒng)，利用核能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為動能，從而為航天器提供電源與推進(jìn)動力。

核能一般直接轉(zhuǎn)化成熱能，熱能轉(zhuǎn)化為電能的方式包括半導(dǎo)體溫差、熱離子等靜態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)電，以及基于工質(zhì)做功的布雷頓、斯特林等動態(tài)循環(huán)發(fā)電方式。核能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)動能的方式，一種是直接利用熱能加熱工質(zhì)（例如氫）實現(xiàn)“核熱推進(jìn)”，另一種是利用核能轉(zhuǎn)換成的電能供給電推進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)“核電推進(jìn)”，如圖1 所示。本文主要針對空間核反應(yīng)堆電源及核電推進(jìn)開展研究，研究對象為以核反應(yīng)堆電源為航天器平臺與載荷提供電能，同時支持電推進(jìn)進(jìn)行軌道機動的一類核動力航天器（以下簡稱空間核動力航天器），暫不針對同位素電源和核熱推進(jìn)開展研究。

圖1 空間核動力系統(tǒng)［3］Fig.1 System of nuclear power［3］

空間核動力航天器具有不依賴太陽光照、能量自主產(chǎn)生、功率范圍大、能量密度高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，可大幅提高空間可用電功率水平和使用時間，適用于難以獲取太陽能或?qū)恿π枨筝^高的空間任務(wù)。因此，核動力技術(shù)與大范圍軌道轉(zhuǎn)移、大功率遙感探測、深空探測任務(wù)、星表基地建設(shè)等空間任務(wù)相結(jié)合，將極大提升當(dāng)前任務(wù)能力水平，形成突破。

自20 世紀(jì)50 年代起，各國便開始開展空間核動力發(fā)展計劃[4]。截至2004 年，美國共發(fā)射了47 個帶有空間核電源的航天器，其中包括46 個放射性同位素電源（RTG）航天器和1 個核反應(yīng)堆航天器；蘇聯(lián)/俄羅斯共發(fā)射了43 個帶有空間核電源的航天器，其中包括6 個放射性同位素電源航天器和37 個核反應(yīng)堆航天器如圖2 所示。目前還沒有發(fā)射帶有核熱推進(jìn)裝置的航天器[5]。

圖2 已發(fā)射的空間核反應(yīng)堆航天器統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical chart of launched nuclear power spacecraft

研究美、俄已發(fā)射及在研核動力航天器項目的發(fā)展趨勢，可以得到以下兩點啟示：

1）不同功率量級存在最優(yōu)技術(shù)方案。發(fā)展空間核動力系統(tǒng)，首先需要根據(jù)未來需求，合理確定技術(shù)發(fā)展路線和重點發(fā)展途徑，不同功率的電源需求，采用不同技術(shù)方案，實現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)。對于幾十瓦到數(shù)百瓦功率范圍，美、俄均采用放射性同位素電源。對于幾千瓦到百千瓦的功率范圍，美、俄早期均采用液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和溫差發(fā)電的技術(shù)方案，后期美國因斯特林發(fā)電技術(shù)獲得重大突破，開始重點研發(fā)液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆配斯特林循環(huán)發(fā)電的方案；而憑借在熱離子發(fā)電方面的技術(shù)進(jìn)步，俄羅斯開展了采用液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆配熱離子發(fā)電的方案研究。對于幾百千瓦到兆瓦級功率范圍，美、俄均認(rèn)為氣冷快堆配布雷頓循環(huán)發(fā)電的技術(shù)方案最優(yōu)。美、俄在選擇具體技術(shù)方案時，并不單純追求高技術(shù)指標(biāo)，而是綜合考慮了技術(shù)先進(jìn)性、系統(tǒng)可靠性、運行經(jīng)濟性和使用方便性，盡量做到繼承與發(fā)展、先進(jìn)與現(xiàn)實的有機統(tǒng)一。

2）核動力航天器總體設(shè)計采用相似功能劃分模式。俄、美計劃開展空間核動力飛行在軌演示驗證，而俄羅斯針對地球軌道經(jīng)濟型貨運任務(wù)[6]，美國更側(cè)重深空探測領(lǐng)域，應(yīng)用方向及任務(wù)流程不盡相同，因此，總體方案略有不同，但是在功能劃分方面采取同類模式：航天器總體構(gòu)型方面都采用在軌可伸展式桁架機構(gòu)；反應(yīng)堆電源方面都選擇高效率長壽命的空間核電源技術(shù)，如氣冷快堆結(jié)合布雷頓熱電轉(zhuǎn)換方式；在推進(jìn)系統(tǒng)方面目前都以電推進(jìn)為主推進(jìn)形式開展項目研究。

2 模塊化核動力航天器設(shè)計

2.1 模塊化的概念

模塊化設(shè)計方法起源于20 世紀(jì)初，最初應(yīng)用于建筑行業(yè)，后被應(yīng)用于機械制造、汽車產(chǎn)品制造、航空產(chǎn)品制造及軟件產(chǎn)品制造等行業(yè)。美國國家航空航天管理局（NASA）于1962 年最早提出多任務(wù)模塊化航天器（MMS）概念[7]，采用模塊化設(shè)計將飛行器分系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)組件。航天器模塊化設(shè)計的內(nèi)涵就是要求將整個航天器依據(jù)功能合理劃分為多個不同的模塊，這些模塊物理獨立、功能獨立，通過特定的規(guī)則組合在一起，共同實現(xiàn)航天器的整體功能。同時，各個模塊要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，即針對同一功能，形成系列，滿足不同需求指標(biāo)的模塊，且系列模塊具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化機械、電源、信號、熱控和流體管路接口，保證同系列模塊之間的可替換性。模塊的組合規(guī)則來源于特定航天器的功能及指標(biāo)要求，通過對組合規(guī)則的控制及對功能模塊的優(yōu)化與配置，可以形成滿足多種飛行任務(wù)的航天器。

模塊化航天器具備以下優(yōu)點：

1）成本最優(yōu)。利用模塊化設(shè)計理念，將航天器典型分系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)接口，因此，易于組裝，易于測試，大大縮短航天器組裝和測試的時間。

2）易于維護(hù)修理。當(dāng)航天器某一模塊發(fā)生故障，可以通過修理或模塊更換、模塊替代的方案，使航天器恢復(fù)性能。因此，模塊化分系統(tǒng)的可更換性，以及不同飛行計劃分系統(tǒng)模塊的互換性，保證了MMS 的在軌維護(hù)。

3）快速可靠性設(shè)計。對于常規(guī)分系統(tǒng)，如姿態(tài)控制分系統(tǒng)，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，針對不同任務(wù)要求，適當(dāng)修改軟件，即可應(yīng)用于不同衛(wèi)星。

4）功能可擴展。設(shè)計通用化平臺，針對性改造部分分系統(tǒng)，即可完成不同應(yīng)用需求。如NASA 利用具有成功飛行經(jīng)驗的MMS 平臺研制探險者號平臺，兩平臺結(jié)構(gòu)相似，針對天線指向系統(tǒng)和通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能稍加改進(jìn)，即可實現(xiàn)科學(xué)探測功能。同時探險者號是世界上第一個可重復(fù)使用的空間平臺，也是第一個可在軌更換科學(xué)儀器的平臺。

2.2 空間核動力航天器研制特點分析

空間核動力航天器在設(shè)計建造、運行試驗、實際應(yīng)用及廢棄處理過程具有以下特點：

1）航天器系統(tǒng)規(guī)模龐大?？臻g核反應(yīng)堆電源雖較地面堆質(zhì)量及體積更小，但是相較于常規(guī)航天器分系統(tǒng)仍很龐大。俄羅斯兆瓦級核動力飛船總質(zhì)量約20 t，在軌展開長度約50 m，其中，反應(yīng)堆電源質(zhì)量約2 500 kg，輻射散熱系統(tǒng)質(zhì)量約6 500 kg[3]。因此，質(zhì)量、長度都與常規(guī)航天器明顯不同，在構(gòu)型設(shè)計及建造方面有明顯特殊性。

2）功能分區(qū)清晰。核動力航天器按照功能分為4 部分，即為航天器提供高功率持久電能的反應(yīng)堆電源、用于隔開安全距離的展開機構(gòu)、航天器常規(guī)分系統(tǒng)所在的平臺部分，以及執(zhí)行任務(wù)的載荷系統(tǒng)。各部分功能分區(qū)清晰，彼此間強耦合較少，界限明確。

3）擴展需求強烈。空間核動力分為多種功率量級及多種技術(shù)類型堆型，同時在軌時間長，任務(wù)功能要求具備軍民融合、平戰(zhàn)結(jié)合的特點。因此，不論從供電功能角度來看，或是任務(wù)需求角度來看，能力擴展需求均較為強烈。

4）經(jīng)費投入多?？v觀美、俄空間核動力歷年地面研究及空間應(yīng)用的項目，經(jīng)費投入巨大。ROVER/NERVA 計劃投入14 億美元（1972 年）；美國在SNAP 計劃上投入約8.5 億美元（1973 年）；在SP-100 計劃上，投入約12 億美元（1997 年）；普羅米修斯計劃曾預(yù)計10 a 投資30 億美元。俄羅斯研制兆瓦級核動力飛船總投資約6 億美元（2012 年）。此類都是資料可見的獨立項目，粗略估計，美國和俄羅斯在整個空間核動力航天器的研發(fā)投入均在百億美元量級[8]。

5）研制周期長。核動力航天器需要核領(lǐng)域與航天領(lǐng)域完全融合，因此，研制周期由核領(lǐng)域和航天領(lǐng)域研制進(jìn)度共同決定。對于核領(lǐng)域而言，空間堆作為一項全新的研究領(lǐng)域，需要較長研制周期。①在設(shè)計方面，不同于常規(guī)地面反應(yīng)堆，需要針對空間應(yīng)用開展空間堆方案研究，以及可靠性、安全性、適應(yīng)性研究；②需要按照國家核安全法律法規(guī)的要求進(jìn)行試驗，受核安全管理部門的監(jiān)督，采用的管理體系與地面反應(yīng)堆相似；③高溫核燃料元件研發(fā)需要進(jìn)行入堆考驗，耗時較長，至少為3～5 a，在此之后反應(yīng)堆電源才可以進(jìn)行總裝集成，作為核電源分系統(tǒng)進(jìn)行非核及帶核地面試驗，為后續(xù)整星試驗做準(zhǔn)備工作。對于航天器而言，核動力航天器不同于常規(guī)航天器，在構(gòu)型設(shè)計、關(guān)鍵分系統(tǒng)方案、整星地面測試系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化等方面都是全新領(lǐng)域，因此，需要較長時間開展方案研究及能力建設(shè)。

2.3 模塊化核動力航天器設(shè)計概念分析

現(xiàn)有航天器設(shè)計采取的是定制化設(shè)計，一旦入軌之后，功能類型、性能指標(biāo)即確定無法更改或微小改動。核反應(yīng)堆電源針對不同功率量級采用不同技術(shù)方案，同時其研制周期長、經(jīng)費投入大、在軌工作壽命長（10～30 a）。因此，同一功率量級的核動力航天器研制完成后，應(yīng)用載荷需要根據(jù)任務(wù)需求的不同進(jìn)行更換，實現(xiàn)核能利用最大化，提高經(jīng)濟性。將功能相對固定的平臺部分進(jìn)行統(tǒng)型設(shè)計，與不同功率量級核電源模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化對接，快速適應(yīng)不同類型反應(yīng)堆電源，完成型譜化發(fā)展及功能升級換代。因此，按照任務(wù)需求不同和功能換代升級兩大要求，模塊化核動力航天器設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 模塊化核動力航天器Fig.3 Modular spacecraft with nuclear power

模塊化核動力航天器主要分為3 部分獨立模塊：平臺核電源模塊、平臺中心模塊及載荷模塊。以熱離子核動力航天器為例，進(jìn)行系統(tǒng)劃分，如圖4所示。

在模塊化核動力航天器設(shè)計過程中，主要包括兩方面內(nèi)容：①將整個核動力航天器根據(jù)功能分析和設(shè)計要求，通過功能抽象合理創(chuàng)建出平臺核電源模塊、平臺中心模塊和載荷模塊3 大獨立模塊，即“化整為零”設(shè)計；②在每個獨立模塊內(nèi)部，進(jìn)行“湊零為整”設(shè)計，獨立模塊中的分系統(tǒng)采用模塊化產(chǎn)品，實現(xiàn)快速設(shè)計快速研制。本文研究內(nèi)容主要針對平臺核電源模塊、平臺中心模塊和載荷模塊的“化整為零”設(shè)計開展研究。3 大獨立模塊劃分及功能重組示意如圖5 所示。

平臺核電源模塊可以選擇不同功率量級反應(yīng)堆電源系統(tǒng)，與平臺中心模塊對接，即可實現(xiàn)功能換代升級，首型核動力航天器（如10 kW 熱離子核動力航天器）研發(fā)過程即明確標(biāo)準(zhǔn)化接口形式，后續(xù)型號（如100 kW 級核動力航天器或MW 級核動力航天器）即可實現(xiàn)快速研發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)通用化平臺。

載荷模塊可以選擇遙感天線實現(xiàn)對地長時探測、對接貨倉實現(xiàn)深空探測、高軌綜合服務(wù)站建設(shè)等目標(biāo)，以及其他高功率電能需求的任務(wù)載荷。載荷對接既可在地面完成，與平臺中心模塊一體化設(shè)計，也可與核動力平臺分別發(fā)射，在軌對接分離，根據(jù)任務(wù)需求靈活機動，達(dá)到軍民融合平戰(zhàn)結(jié)合，將核能充分利用，實現(xiàn)最高經(jīng)濟性。

圖4 核動力航天器系統(tǒng)模塊劃分Fig.4 Modular partition of nuclear power spacecraft system

圖5 核動力航天器系統(tǒng)模塊組合模式Fig.5 Modular combination model of nuclear power spacecraft system

平臺中心模塊連接核電源模塊與載荷模塊，是維持整個航天器基本運營的部分，這一部分包括整器結(jié)構(gòu)部分、推進(jìn)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、維持整器基本運行的電能管理系統(tǒng)、測控系統(tǒng)核姿軌控系統(tǒng)。針對核電源模塊和載荷模塊設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)接口，在軌可具備軟件升級維護(hù)的能力。

各模塊之間體系架構(gòu)設(shè)計可采用3 層模型，如圖6 所示，由下到上分別是結(jié)構(gòu)層、協(xié)議層和應(yīng)用層。

結(jié)構(gòu)層主要是指模塊化核動力航天器的結(jié)構(gòu)布局，結(jié)構(gòu)層由傳統(tǒng)航天器的定制化、一體化設(shè)計變?yōu)榘腴_放式結(jié)構(gòu)，雙向預(yù)留結(jié)構(gòu)總線接口。整器基礎(chǔ)系統(tǒng)（如推進(jìn)、測控、電能管理、姿軌控等）布局在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，此部分仍采用封閉式設(shè)計，不可拆裝。反應(yīng)堆電源模塊或載荷模塊按照總體需求，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口安裝在結(jié)構(gòu)總線上成為某型核動力航天器的一部分，可在地面或在軌通過分離對接操作實現(xiàn)模塊的更換。

圖6 模塊化核動力航天器體系架構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic sketch of nuclear power spacecraft architecture

協(xié)議層主要是指核電源模塊及載荷模塊與平臺中心模塊的電氣、信息、軟件等接口方面標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，通過開放式的軟件架構(gòu)實現(xiàn)可更換模塊的功能連接，對于載荷模塊實現(xiàn)自主識別對接的載荷模塊狀態(tài)參數(shù)，接入系統(tǒng)并啟用，實現(xiàn)功能模塊可更換。

應(yīng)用層主要是指通過整器的系統(tǒng)功能重構(gòu)，實現(xiàn)航天器功率量級等關(guān)鍵性能提升、整器功能重構(gòu)等應(yīng)用能力。

3 模塊化核動力航天器技術(shù)難點分析

模塊化核動力航天器充分考慮可繼承性與可擴展性，因此，針對以平臺核電源模塊與平臺中心模塊組成的核動力航天器平臺梳理技術(shù)難點，以下技術(shù)難點通用于各種功率量級及應(yīng)用需求的核動力航天器。

3.1 空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

空間核反應(yīng)堆區(qū)別于地面堆，需要考慮空間應(yīng)用的特點，輻射安全性、輕質(zhì)、高可靠性及不可維修性等對反應(yīng)堆電源提出更高設(shè)計要求，其中主要包括以下三方面技術(shù)難點：

1）無中子源啟動技術(shù)。在地面反應(yīng)堆啟堆過程，通過中子源轟擊進(jìn)行反應(yīng)堆啟堆，而空間堆在發(fā)射入軌前由于輻射安全要求，因此，需要在軌采用無源中子啟動技術(shù)進(jìn)行啟堆。利用宇宙射線與反射層、結(jié)構(gòu)材料、燃料等材料發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生中子，以引發(fā)反應(yīng)堆可靠啟堆，由此帶來一系列基礎(chǔ)物理問題及材料問題。

2）核安全技術(shù)?？臻g堆電源的安全備受關(guān)注，在地面測試段、運輸段、發(fā)射場以及入軌前，均需重點考慮核反應(yīng)堆的安全性，需要從方案設(shè)計、基礎(chǔ)保障、管理體系等多方面開展核安全技術(shù)研究。

3）數(shù)字化仿真技術(shù)。由于空間無人、不可維修、運行時間長等特點，為保障核反應(yīng)堆電源安全可靠工作，需在地面同步運行同設(shè)計的數(shù)字反應(yīng)堆，為在軌數(shù)據(jù)提供支撐。

3.2 關(guān)鍵部件小型化及性能穩(wěn)定技術(shù)

空間核反應(yīng)堆電源對于單機設(shè)備具有較高的體積和質(zhì)量約束。為滿足飛行樣機的體積、質(zhì)量、效率和可靠性指標(biāo)要求，需要開展關(guān)鍵部件電、磁、流體力學(xué)、熱控等小型化設(shè)計技術(shù)研究，形成綜合性的設(shè)計方法和手段，研發(fā)耐高溫、耐振動、高性能的關(guān)鍵材料，構(gòu)建耐沖擊振動結(jié)構(gòu)，集成工藝，適時開展相關(guān)試驗驗證，確保小型關(guān)鍵部件整體性能滿足飛行試驗要求。

3.3 長距離大承載的高剛度高強度展開機構(gòu)技術(shù)

核動力航天器在軌展開后呈啞鈴構(gòu)型，可展開式支撐機構(gòu)既要保證足夠展開長度，又要保證可靠的剛性連接及承載性能。主要有以下兩方面技術(shù)難點：

1）長距離大承載展開機構(gòu)總體設(shè)計技術(shù)。受反應(yīng)堆γ 及中子射線劑量約束，核動力航天器需要在發(fā)射階段收攏，在軌展開。根據(jù)研究美、俄核動力航天器，在軌的展開機構(gòu)展開長度達(dá)10 m 以上，同時彎曲載荷大，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，功能要求多，其結(jié)構(gòu)尺寸、承載能力及復(fù)雜性遠(yuǎn)大于我國現(xiàn)有空間展開機構(gòu)。對展開機構(gòu)開展總體設(shè)計，機構(gòu)需要保證自身展開功能、鎖定功能及承載功能，同時滿足總體的電、熱傳輸需求。

2）高剛度高強度鎖定保持技術(shù)。為滿足核動力航天器姿軌控的穩(wěn)定性要求及應(yīng)用載荷指向精度的要求，展開機構(gòu)的在軌基頻需要同時滿足飛行器在軌對接、變軌時傳遞給展開機構(gòu)的載荷要求。因此，桁架結(jié)構(gòu)間的鎖定性能需滿足高剛度、高強度的要求。

3.4 高效傳輸與能源管理技術(shù)

在空間核動力航天器中，核反應(yīng)堆電源的工作特性對能源傳輸與管理提出了更高的要求：一方面，核反應(yīng)堆電源輸出高壓直流電或高頻交流電，考慮到防輻射需求，平臺裝置與核反應(yīng)堆電源之間保持較遠(yuǎn)距離，高電流長距離傳輸增加了電纜損耗與設(shè)計難度；另一方面，由于核反應(yīng)堆電源工作機理復(fù)雜，工作過程中其系統(tǒng)狀態(tài)改變相對較慢，需幾分鐘甚至更長時間，當(dāng)任務(wù)功能發(fā)生變化、平臺電功率發(fā)生瞬態(tài)變化時，核反應(yīng)堆電源無法作出及時響應(yīng)，造成能量供需不平衡的問題。

3.5 大撓性航天器姿態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

核動力航天器主要由核電源模塊、平臺中心模塊及載荷模塊構(gòu)成“啞鈴”構(gòu)型，核電源模塊與平臺中心模塊間的連接桁架采用輕質(zhì)化設(shè)計，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的振動頻率低且密集。核動力航天器進(jìn)行在軌機動或者姿態(tài)變化時，推力器、反作用飛輪、有效載荷和溫度變化等激勵大尺度輕質(zhì)撓性桁架及附件振動，振動形成耦合干擾力矩長時間反作用在平臺中心模塊上，結(jié)構(gòu)振動與控制交互作用影響平臺中心模塊的姿態(tài)控制精度、穩(wěn)定度，嚴(yán)重時甚至將導(dǎo)致姿態(tài)失穩(wěn)。

3.6 輻射防護(hù)綜合設(shè)計技術(shù)

核動力航天器在運行過程中會產(chǎn)生較高劑量的中子和γ 射線，為了防止結(jié)構(gòu)材料和航天器平臺儀器設(shè)備受照射后發(fā)熱、活化及性能劣化，需要對核動力航天器采用特殊的輻射防護(hù)措施。主要從以下3 方面綜合考慮：核電源的陰影屏蔽設(shè)計、展開機構(gòu)長度設(shè)計以及平臺儀器艙抗輔加固設(shè)計。

核電源的陰影屏蔽設(shè)計是在核反應(yīng)堆電源的后方，選擇合適的屏蔽材料，以及輕屏蔽與重屏蔽組合模型開展研究，保證在滿足輻射劑量要求的前提下，屏蔽體的質(zhì)量最小。

展開機構(gòu)設(shè)計的輸入條件，即在保證核電源模塊與平臺中心模塊有效的安全距離，距離越長，輻射劑量越小，同時展開機構(gòu)設(shè)計難度越大，質(zhì)量越大。

在平臺儀器抗輔加固方面，是針對敏感儀器開展局部抗輔加固設(shè)計，減小輻射劑量的影響。

在核動力航天器設(shè)計過程中，應(yīng)考慮以上3 方面因素，綜合設(shè)計，提出最優(yōu)解決方案。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)梳理美、俄空間核動力航天器的發(fā)展歷程，總結(jié)發(fā)展趨勢及技術(shù)路線，提出核動力航天器研發(fā)特點，結(jié)合模塊化航天器內(nèi)涵，提出模塊化核動力航天器概念；進(jìn)一步探索模塊化核動力航天器模塊劃分模式，以及模塊間體系架構(gòu)模式；最后基于可繼承性及拓展性，梳理模塊化核動力航天器技術(shù)難點，為各類功率量級核動力航天器研發(fā)提供參考。