美國(guó)空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展分析

駱成棟 羅雨微 楊偉杰 張璐 程磊

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 2北京空間科技信息研究所 3中國(guó)空間技術(shù)研究院發(fā)展計(jì)劃部）

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各航天大國(guó)均加快了遠(yuǎn)距離航天任務(wù)的規(guī)劃與部署，這些航天任務(wù)航行距離遠(yuǎn)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所處空間環(huán)境惡劣，需要使用空間核動(dòng)力供電系統(tǒng)?？臻g核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)是一種采用動(dòng)態(tài)斯特林熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的核動(dòng)力電源系統(tǒng)，主要由核熱源、活塞式斯特林發(fā)電器和控制器等部件組成，具有長(zhǎng)壽命、高功率、高熱電轉(zhuǎn)換效率、組合方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在深空探測(cè)、星表登陸等航天任務(wù)的供電需求中具有較高的發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力。目前，僅美國(guó)開(kāi)展過(guò)大量的空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)研究工作，其最早的研發(fā)工作可追溯到20世紀(jì)70年代，已取得大量的階段性成果。

1 美國(guó)空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)現(xiàn)狀

美國(guó)先后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、發(fā)電器、控制器以及核熱源等技術(shù)研發(fā)上有較大投入。其中，整體系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)活動(dòng)以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)防部（DOD）和美國(guó)能源部（DOE）主導(dǎo)技術(shù)研發(fā)布局，NASA格倫研究中心（GRC）、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、美國(guó)碟式斯特林光熱電源技術(shù)公司（Infinia）、洛馬公司（LM）等政府科研單位和企業(yè)聯(lián)合參與系統(tǒng)部件、材料、斯特林發(fā)電器單機(jī)等的技術(shù)研發(fā)與驗(yàn)證工作。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)靈活多樣

目前，美國(guó)在該系統(tǒng)技術(shù)研究領(lǐng)域已占據(jù)主導(dǎo)地位。NASA GRC早在1989年就對(duì)放射性同位素自由活塞式斯特林電源空間應(yīng)用可行性進(jìn)行過(guò)論證。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，美國(guó)的空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)基本技術(shù)方案已經(jīng)明確，先后發(fā)展出六代系統(tǒng)技術(shù)方案，包括“鋰?yán)鋮s核反應(yīng)堆斯特林電源”系統(tǒng)、斯特林放射性同位素電源－110（SRG－110）系統(tǒng)、“先進(jìn)斯特林放射性同位素電源”（ASRG）系統(tǒng)、“裂變表面能”（FSP）系統(tǒng)、“模塊式斯特林放射性同位素電源”（MSRG）系統(tǒng)概念與SRG系列概念、以及“使用斯特林技術(shù)的千瓦反應(yīng)堆”（KRUSTY）系統(tǒng)和“裂變動(dòng)力系統(tǒng)”（FPS）。按照具體的設(shè)計(jì)方案計(jì)算，現(xiàn)有的系統(tǒng)單機(jī)設(shè)計(jì)方案多達(dá)20余種，構(gòu)型多樣化，供電水平靈活。

美國(guó)僅對(duì)SRG－110和ASRG兩代采用放射性同位素?zé)嵩吹南到y(tǒng)方案進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)整機(jī)制造，試驗(yàn)樣機(jī)均為百瓦級(jí)，系統(tǒng)效率最高可達(dá)30%，已開(kāi)展大量地面試驗(yàn)。其他技術(shù)方案均停留在概念設(shè)計(jì)和技術(shù)論證階段，采用放射性同位素?zé)嵩吹南到y(tǒng)方案最高供電水平將近500W，采用核裂變熱源的系統(tǒng)方案單機(jī)最高供電水平高達(dá)40kW。

發(fā)電器技術(shù)基礎(chǔ)雄厚

由斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和直線交流發(fā)電機(jī)組成的斯特林發(fā)電器是空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換單元。美國(guó)的空間核動(dòng)力系統(tǒng)采用斯特林發(fā)電器的技術(shù)基礎(chǔ)十分雄厚。自20世紀(jì)80年代起，美國(guó)機(jī)械技術(shù)公司（MTI）、太陽(yáng)能源公司（SunPower）和能量公司（Qnergy）等技術(shù)企業(yè)，曾先后為美國(guó)的各類空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、制造、購(gòu)買和考慮過(guò)至少9種空間專用或商用斯特林發(fā)電器，主要機(jī)型包括空間電源演示發(fā)動(dòng)機(jī)（SPDE）、部件試驗(yàn)電源發(fā)電器（CTPC）、技術(shù)演示轉(zhuǎn)換器（TDC）、EE－35、先進(jìn)斯特林發(fā)電器（ASC）、P2A、能量轉(zhuǎn)換單元（PCU）、QB－3500和QB－7500斯特林發(fā)電器，額定功率范圍為35W～12.5kW，效率最高可達(dá)38%。這些發(fā)電器的整體技術(shù)水平較為成熟，為美國(guó)開(kāi)展后續(xù)空間斯特林發(fā)電器的研發(fā)積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

控制器技術(shù)趨于完善

空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)中的斯特林發(fā)電器需要控制器來(lái)維持穩(wěn)定運(yùn)行。在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，必需調(diào)節(jié)負(fù)載來(lái)平衡所產(chǎn)生的功率?？臻g核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)對(duì)控制器要求較高，美國(guó)的控制器開(kāi)發(fā)工作主要集中在NASA GRC、洛馬公司和約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）進(jìn)行。2003年以來(lái)，美國(guó)先后為空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了5種模擬和數(shù)字斯特林電源系統(tǒng)控制器，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，包括模擬齊納二極管控制器（ZDC）、模擬直線交流調(diào)節(jié)器（LAR）、數(shù)字單發(fā)電器控制器（SCC）、數(shù)字雙發(fā)電器控制器（DCC）、數(shù)字工程開(kāi)發(fā)單元（EDU），以及先進(jìn)斯特林發(fā)電器控制單元（ACU），最高控制發(fā)電器數(shù)量為2臺(tái)。

核熱源技術(shù)穩(wěn)步提升

目前，美國(guó)設(shè)計(jì)的適用于斯特林電源系統(tǒng)的核熱源主要有衰變形式的放射性同位素?zé)嵩春土炎冃问降暮朔磻?yīng)堆熱源兩類。

放射性同位素電源研發(fā)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的通用熱源（GPHS）最初是為放射性同位素電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種模塊化同位素?zé)嵩?，已在多?xiàng)深空探測(cè)任務(wù)中得到實(shí)際空間飛行應(yīng)用，技術(shù)較為成熟，具有通用性高、靈活性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，單個(gè)GPHS模塊的熱功率為250W，可根據(jù)需要進(jìn)行模塊化配置。

2012年，美國(guó)在千瓦級(jí)電源計(jì)劃（Kilopower）下，為空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)研制出了1kW版本的高濃縮塊堆，并制作了原型樣機(jī)，目前仍處在地面驗(yàn)證和完善階段，反應(yīng)堆堆芯由塊狀鈾鉬合金燃料、碳化硼控制棒、氧化鈹反射層和屏蔽塊組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡(jiǎn)單、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 美國(guó)空間核動(dòng)力斯特林電源核心技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

當(dāng)前，美國(guó)的空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，其核心技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)如下4個(gè)特點(diǎn)。

模塊化與組合化技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出功率和部件靈活配置

目前，美國(guó)的空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制實(shí)現(xiàn)模塊化和組合化，可通過(guò)調(diào)配電源本身模塊數(shù)量、斯特林發(fā)電器數(shù)量，以及熱源模塊數(shù)量來(lái)滿足不同的功率需求。此外，模塊化技術(shù)可以提升系統(tǒng)可靠性與容錯(cuò)性，降低大功率系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度。

首先，在熱源方面，美國(guó)20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的模塊化GPHS熱源可根據(jù)需要進(jìn)行模塊化配置，調(diào)整電源系統(tǒng)整體電能輸出水平；美國(guó)近幾年設(shè)計(jì)的“火星設(shè)計(jì)參考體系結(jié)構(gòu)”（DRA）中提出了以4組10kW Kilopower反應(yīng)堆供熱的組合化系統(tǒng)方案，將系統(tǒng)功率提升至40kW。其次，在系統(tǒng)組合式布局上，諸如MSRG系統(tǒng)模塊化組合、KRUSTY項(xiàng)目的多樣化系統(tǒng)布局和多臺(tái)斯特林發(fā)電機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)方案，不但提高了系統(tǒng)功率水平，還提升了系統(tǒng)部件選擇靈活性。NASA也在其技術(shù)發(fā)展路線中明確表示仍將延續(xù)模塊化熱源設(shè)計(jì)和組合式斯特林發(fā)電器設(shè)計(jì)。

新型核反應(yīng)堆熱源突破系統(tǒng)功率上限

目前，美國(guó)致力于發(fā)展新型核裂變反應(yīng)堆熱源技術(shù)，以全面提高空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)總輸出功率水平。對(duì)于空間核動(dòng)力斯特林電源而言，現(xiàn)有的斯特林發(fā)電器功率水平并不低，使用組合式技術(shù)實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)發(fā)電能力的斯特林發(fā)電器單機(jī)機(jī)型至少有4種。但近20年來(lái)，同類系統(tǒng)整體功率水平一直維持在百瓦級(jí)?？紤]到現(xiàn)有GPHS功率水平、系統(tǒng)體積和钚－238產(chǎn)量的局限，美國(guó)近年來(lái)將目光徹底轉(zhuǎn)向可行性與功率水平更高的熱管裂變反應(yīng)堆技術(shù)上，以求突破現(xiàn)有電源功率設(shè)計(jì)上限。

美國(guó)先后研究了多種千瓦級(jí)熱管裂變反應(yīng)堆，包括“熱管式火星探測(cè)堆”（HOMER）系列、“平價(jià)裂變表面電力系統(tǒng)”（AFSPS），以及KRUSTY系列（即Kilopower系列）等，這些核反應(yīng)堆能夠提供43～175kW熱能，能組建的電源系統(tǒng)功率高達(dá)40kW，目前已搭建了1kW的KRUSTY試驗(yàn)樣機(jī)，這也是有史以來(lái)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)潔的反應(yīng)堆概念之一。NASA與美國(guó)國(guó)家核安全管理局（NNSA）在2018年前后合作完成KRUSTY的地面試驗(yàn)，系統(tǒng)技術(shù)成熟度在2017年達(dá)到5級(jí)（TRL 5）。未來(lái)，1～10kW的斯特林裂變電源系統(tǒng)仍是NASA發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)之一。

創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品、提升系統(tǒng)技術(shù)成熟度與可靠性

目前，美國(guó)已發(fā)展出的空間斯特林電源系統(tǒng)大都停留在概念設(shè)計(jì)和試驗(yàn)樣機(jī)階段。為提升現(xiàn)有系統(tǒng)技術(shù)成熟度，加速空間斯特林發(fā)電系統(tǒng)的空間飛行應(yīng)用，美國(guó)在系統(tǒng)部件級(jí)技術(shù)上不斷推出創(chuàng)新型概念和技術(shù)。

美國(guó)認(rèn)為，雖然未來(lái)實(shí)際用于空間飛行任務(wù)的系統(tǒng)硬件可能與現(xiàn)在較為成熟的ASRG硬件有所不同，但多數(shù)組件可能是相似的，并且系統(tǒng)架構(gòu)可能會(huì)繼承ASRG的一些特點(diǎn)和技術(shù)。NASA GRC制定了斯特林循環(huán)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃（SCTDP），以發(fā)展斯特林技術(shù)中尚不成熟或成熟度較低的技術(shù)。研究任務(wù)重點(diǎn)目標(biāo)包括提高溫度能力以適應(yīng)新環(huán)境，降低電源系統(tǒng)質(zhì)量或尺寸，提高可靠性和系統(tǒng)容錯(cuò)能力，并開(kāi)發(fā)替代設(shè)計(jì)。在SCTDP計(jì)劃下，NASA GRC和SunPower公司也在持續(xù)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)。

同時(shí)，NASA GRC資助SunPower公司面向系統(tǒng)飛行逐步完善發(fā)電器設(shè)計(jì)。已完成了6代ASC機(jī)型設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的ASC工程樣機(jī)3號(hào)（ASC-E3）技術(shù)成熟度達(dá)到6級(jí)（TRL 6），并已在GRC完成獨(dú)立驗(yàn)證和驗(yàn)證測(cè)試。該公司進(jìn)行的ASRG研究項(xiàng)目中的試驗(yàn)結(jié)果表明，其研發(fā)的斯特林發(fā)電器已經(jīng)能夠滿足航天器的發(fā)射力學(xué)環(huán)境要求。

此外，美國(guó)也不斷開(kāi)發(fā)新型發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，SunPower公司在汲取ASC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上與洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）團(tuán)隊(duì)合作，嘗試開(kāi)發(fā)一種新型SunPower魯棒斯特林發(fā)電器（SRSC），進(jìn)一步提升發(fā)電器魯棒性與可靠性。設(shè)計(jì)目標(biāo)為全功率連續(xù)運(yùn)行壽命20年，質(zhì)量2kg，單機(jī)發(fā)電功率63.7W，熱電轉(zhuǎn)換效率29.2%。

優(yōu)化钚－238燃料制備能力、低功率設(shè)計(jì)為系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)展提供基礎(chǔ)

放射性同位素钚－238是當(dāng)前空間同位素電源的最優(yōu)選擇，充足的钚－238同位素供應(yīng)是保證放射性同位素溫差電源技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但自然界中不存在钚－238，目前全球僅有俄羅斯和美國(guó)具有成規(guī)模的钚－238生產(chǎn)能力。美國(guó)在20世紀(jì)80年代曾停止了空間用钚燃料的生產(chǎn)，并轉(zhuǎn)而從俄羅斯采購(gòu)钚－238。為滿足任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)钚－238的自主可控，NASA與DOE在2011年啟動(dòng)了钚－238生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)重建生產(chǎn)能力，計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)年均至少1.5kg的二氧化钚產(chǎn)量。但這仍無(wú)法滿足其未來(lái)航天任務(wù)燃料需求，即便是將年產(chǎn)量提升到5kg，美國(guó)航天領(lǐng)域在2025年前后仍會(huì)出現(xiàn)钚－238供應(yīng)告急的情況。為此，美國(guó)計(jì)劃從縮短生產(chǎn)材料停留時(shí)間、延長(zhǎng)衰變時(shí)間、減少裂變產(chǎn)物庫(kù)存和放射水平、縮短生產(chǎn)處理過(guò)程，以及縮小生產(chǎn)設(shè)施占地面積等方面入手，進(jìn)一步提升生產(chǎn)能力。

此外，美國(guó)在最近5年開(kāi)始轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路，開(kāi)始研究采用放射性同位素?zé)嵩吹男⌒退固亓蛛娫聪到y(tǒng)，設(shè)計(jì)提供的電功率范圍在1mW～40W。小型的空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)可以為空間科學(xué)和探索任務(wù)的探測(cè)器、著陸器、漫游探測(cè)器或通信中繼器提供電力。這樣的系統(tǒng)可以使用小型GPHS（約60W熱輸出）或輕量放射性同位素加熱器裝置（LWRHU）為航天器上傳感器和通信提供動(dòng)力。目前開(kāi)展的研究項(xiàng)目包括JPL的“小型放射性同位素電源系統(tǒng)”（SRPS）項(xiàng)目和GRC的“小型斯特林技術(shù)探索能力”（SmallSTEP）項(xiàng)目。

3 空間應(yīng)用趨勢(shì)

美國(guó)已在多項(xiàng)航天任務(wù)中考慮過(guò)空間斯特林核電源系統(tǒng)技術(shù)方案，受限于系統(tǒng)各部件技術(shù)成熟度與任務(wù)選擇問(wèn)題，系統(tǒng)空間飛行遲遲未實(shí)現(xiàn)。美國(guó)相關(guān)技術(shù)部門正在積極開(kāi)展裝配試驗(yàn)和發(fā)射運(yùn)行的研究工作，同時(shí)還在深入考慮未來(lái)任務(wù)的可擴(kuò)展性。

加快落實(shí)放射性同位素電源系統(tǒng)的航天器應(yīng)用

自2009年起，放射性同位素斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)曾被多次考慮進(jìn)行實(shí)際空間應(yīng)用，但因技術(shù)選擇等問(wèn)題均錯(cuò)失至少兩次飛行機(jī)會(huì)。目前，美國(guó)正在大力推進(jìn)SRG與ASRG兩類系統(tǒng)，以SRG類系統(tǒng)為代表的數(shù)十至數(shù)百千瓦級(jí)系統(tǒng)能夠滿足在近期和中期的行星科學(xué)及遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)，ASRG也可以安裝在包括軌道飛行器、著陸器、漫游巡視器以及行星際探測(cè)器等多種航天器上。盡管NASA已終止了ASRG項(xiàng)目，但其仍持續(xù)資助私營(yíng)公司開(kāi)發(fā)斯特林發(fā)電器技術(shù)進(jìn)行小額投資測(cè)試，預(yù)計(jì)到2028年可應(yīng)用于飛行任務(wù)。此外，NASA的“放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)”（RPS）項(xiàng)目辦公室還曾在2015年春季起草了一份名為“S2F”的新斯特林電源飛行計(jì)劃，其關(guān)鍵目標(biāo)之一是推進(jìn)該技術(shù)在飛行中的實(shí)際演示。

根據(jù)最新的《行星科學(xué)10年調(diào)查報(bào)告》所述，NASA一直需要RPS系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行行星探測(cè)任務(wù)。美國(guó)的《核動(dòng)力評(píng)估研究報(bào)告》（NPAS）中得出了包括肯定放射性同位素動(dòng)力在21世紀(jì)30年代之前航天任務(wù)中的必要性等結(jié)論。美國(guó)相關(guān)技術(shù)部門目前正在積極開(kāi)展集成試驗(yàn)和發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性的研究工作，同時(shí)還在深入考慮未來(lái)任務(wù)的可擴(kuò)展性。

突出核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的行星表面任務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，發(fā)展千瓦級(jí)的核裂變反應(yīng)堆斯特林電源系統(tǒng)十分必要，此類系統(tǒng)能夠滿足NPAS報(bào)告中預(yù)測(cè)的35～40kW行星表面探測(cè)類任務(wù)，以及人類探索和作戰(zhàn)任務(wù)理事會(huì)（HEOMD）任務(wù)需求。近期，NASA和DOE計(jì)劃聯(lián)合向工業(yè)界征集建議書(shū)，旨在開(kāi)展“千瓦電源”項(xiàng)目的后續(xù)研究，以支持NASA遠(yuǎn)期月球和火星探索計(jì)劃的緊湊型核動(dòng)力系統(tǒng)，即10kW的核裂變系統(tǒng)；該系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2027年可在月面部署，為月表長(zhǎng)期活動(dòng)提供電力。

4 結(jié)論

美國(guó)對(duì)空間核動(dòng)力斯特林電源系統(tǒng)技術(shù)已開(kāi)展了50多年的研究，發(fā)展出上至數(shù)十千瓦級(jí)，下至毫瓦級(jí)的多種系統(tǒng)功率水平設(shè)計(jì)與技術(shù)方案，并有望快速實(shí)現(xiàn)一定程度的商業(yè)化。該技術(shù)很可能會(huì)在未來(lái)30年內(nèi)逐漸走向主流，為深空探測(cè)、星表登陸等長(zhǎng)周期航天任務(wù)提供電力。