又快到吹牛兑现的时间了！我国空间核电推进技术进展情况

　　本文所有内容不存在臆测及幻想成分，相关资料均为公开文件
　　《南华早报》11月24日报道在中国的太空计划中，将使用核能为未来的月球和火星任务提供强大动力
　　据参与该项目的中国研究人员表示，正在开发的这种核反应堆已经完成了原型设计，并建造了一些组件，其动力将是美国类似计划的100倍
　　《南华早报》报道截图
　　最近美国国家航空航天局发起投标，以开发一种10千瓦的核动力装置，该装置要在十年内能够支持人类持续在月球上留驻
　　中国研究人员表示，中方的这种核反应堆可以产生1兆瓦的电力，这是美国计划在2030年放到月球表面的类似核动力装置的100倍
　　报道提到，参与该项目的两名科学家证实，中国政府在2019年启动这项研究
　　虽然没有透露具体的技术细节和启动日期，但是最近完成了一座原型堆的工程设计，一些关键部件已经建造完成
　　迄今为止，中国唯一被公众所知送入太空的核装置是玉兔二号上的一个微型核电池，这个核电池能产生几瓦的热量帮助其度过漫长月夜
　　化学燃料和太阳能电池板将无法满足载人航天探索的需求，随着人类在月球或火星上的定居点被提上议事日程，预计太空探索将显著扩大，核电是最有希望的解决方案
　　报道援引中国科学家的论文表示，尽管中国是太空核动力领域竞赛的后来者，但有多项优势。中国拥有完整的产业链，用复杂的制造技术自主生产所有的特种零部件
　　此外，中国新的核电厂建设速度比任何国家都快每年7到8座核反应堆其中一些使用了世界上最先进的技术，例如，钍燃料核反应堆和高温气冷堆。这种基础设施的增长能让中国在科学数据和人才方面占据优势
　　对于《南华早报》中的相关内容不予置评
　　但是有多少朋友还记得2013年的这篇报道：
　　中国航天科技集团公司五院502所和总体部合作，在科技部863课题核动力航天器总体技术和安全研究的支持下，顺利完成了空间大功率核电推进方案研究工作，这是我国在新型推进技术领域取得的又一重要研究成果
　　空间大功率核电推进系统是未来大型深空探测的优选方案，更是未来推进技术发展的战略制高点。五院502所和总体部课题组紧紧围绕国内外空间核电推进技术开展了大量的研究工作，同时组织原子能研究院等多名专家进行了多场专题学术交流活动，进一步提高了课题组在核电推进技术领域的研究能力和学术影响力
　　课题组进行了大胆的理论创新和技术攻关，提出了适用于载人火星飞船的、短期内实现地火往返飞行的空间大功率核电推进系统方案，并完成了适用于火星表面起降的推进系统方案的设计与优化，在国内首次完成核电推进系统模型建立和优化设计工作，研究成果得到了相关专家的高度认可。利用该模型，可获得核电推进系统优化设计的基本参数，为未来载人火星飞船设计提供了重要设计手段
　　空间大功率核电推进方案研究工作的顺利完成，充分发挥了502所在空间推进领域的技术优势和总体部的抓总作用，为中国空间技术研究院在空间核电推进领域抢占了先机，进一步巩固了其在空间推进领域的领先地位
　　2013年的相关报道中尚且还是核电推进方案研究，这一转眼就是九年（十年前的方案，十年是个好数字），参考我兔习惯三步走，曾经完成的方案在实施工程阶段也已经走了近十年了
　　而对于我国空间大功率核电推进系统的进展着实有着一个比较明确的参考指标来自对手的焦虑：2011年，美国华盛顿大学开始了一项新型核聚变火箭技术的研究，到目前为止已完成了初步推进系统的设计
　　20122014年，美国开展了核低温推进级NCPS项目，分别对基于用于空间推进的核火箭发动机的研制计划衍生燃料和金属陶瓷燃料开展反应堆设计
　　2016年，项目组在马歇尔太空飞行中心的核热火箭元件模拟器完成了多种核热火箭燃料元件材料在实际条件下的非核试验
　　2014年，NASA确定了以高性能CERMET燃料为主开展核火箭发动机的进一步研究。CERMET燃料堆芯方案是美国通用电气公司在二十世纪六十年代设计的一种采用金属陶瓷燃料的反应堆，采用将二氧化铀弥散于高温难熔金属的形式
　　2019年，美国国会通过的一项拨款法案包括1。25亿美元的，用于核热推进研究，包括计划到2024年完成飞行示范任务
　　2020年美国国防部研制工程应用的核热火箭发动机地月快速飞行示范火箭，以缩短地球到月球进而到火星的旅行时间，该火箭发动机将是一种采用高丰度低浓铀燃料的核热推进系统
　　DARPA在2021财年预算提案中表示，核热推进系统将扩展美国的太空探索，并将国内太空研发能力提升到一个新高度
　　Kilopower微型核反应堆
　　Kilopower微型核反应堆是NASA、洛斯阿拉莫斯国家实验室和能源部多方合力研发的，使用铀235作为核燃料，输出功率介在110千瓦之间
　　大家都知道人类探测太空的能力主要受空间推进技术的限制针对高速度增量的航天任务，由于传统化学推进技术的比冲较低，会导致航天器近地轨道发射重量（IMLEO）极大增加
　　而太阳能电推进存在功率较低、推力偏小和能源衰减等问题，无法执行快速深空探测任务
　　具有高能量密度、高比冲、大推力等技术优势的空间核推进技术，或许是人类唯一可以大幅降低深空探测任务周期和IMLEO的空间推进技术，可以极大地拓展人类探测太空的能力
　　按照工作原理分类
　　空间核推进主要分为核热推进（NTP）
　　核热推进利用核裂变释放的热能对工质直接加热，然后将高温高压的工质从喷管高速喷出，从而产生巨大的推力，具有推力大（可达吨级）、比冲较高（800s1000s）等技术优点
　　但存在核燃料高温腐蚀、核裂变产物释放造成的放射性污染、地面试验风险较高等重大的技术问题，在环保要求日益提高的今天，该技术的发展受到很大限制
　　核电推进（NEP）
　　核电推进采用空间核电源将核能转换为电能，为大功率电推进系统供电，将工质电离加速并高速喷出产生推力，具有超高比冲（3000s10000s）、较大推力（几牛数百牛）、长寿命等优势，存在系统较为复杂、高效热电转换等技术难点，该技术的空间核电源和大功率电推进技术相对分离，耦合较少，不存在辐射物质向外排放的问题，技术实现可行性更高
　　双模式核推进（BNTEP）
　　双模式核推进是核热推进和核电推进技术的高度融合体，反应堆产生的热能一部分用于直接加热推进剂产生推力，采用核热推进模式工作；另一部分热能转化为电能提供给大功率电推进，采用核电推进模式工作，双模式核推进技术更先进，同时难度也更高
　　而我国就是对空间核电推进技术，对其工作原理和系统组成有着相当的投入和相关技术积累
　　为了证明《南华早报》的内容不是空穴来风，下面将展开叙述有关内容
　　核电推进技术工作原理及系统组成
　　核电推进的工作原理是将核反应堆产生的热能通过热电转换装置转换成电能，通过电源管理与分配装置将电能提供给大功率电推进系统，利用电能将工质离子化并高速喷出，从而产生推力，反应堆、热电转换、大功率电推进剩余的热量通过热排放系统辐射到宇宙空间中
　　核电推进系统的组成，主要由空间核反应堆电源系统、电源管理与分配系统、大功率电推进系统和热排放系统4部分组成，其中空间核电源系统包括空间核反应堆和热电转换
　　核反应堆是将核燃料能量转换为热能的装置均为核裂变类型，主要包括反应堆（由燃料组件、冷却剂、反射单元等组成）、反应堆控制系统和屏蔽系统3个部分
　　热电转换系统的功能是将反应堆产生的热能转换成电能，主要有两种转换方式：
　　静态转换和动态转换电源管理和分配系统能对核电源的电能进行集中管理，将电能分配给大功率电推进系统和飞船其效载荷
　　大功率电推进系统利用电能将推进剂电离并高速喷出，从而产生推力，主要由电推力器、贮供单元电源处理单元和控制单元构成
　　热排放系统可将反应堆、热电转换、电推力器和航天器电子元器件等组件产生的废热排放到宇宙中
　　国外相关技术研究情况
　　（要有比较才能体现自身的水平）俄罗斯
　　2009年俄总统正式批准研发MWe级核电推进系统的飞船计划
　　该飞船的推进系统由科尔德什研究中心和尼凯叶特研究院联合设计。飞船使用1个35MWt热功率的核反应堆，产生约1MWe电功率使用1020个（含备份）电磁推力器，单台功率为50kWe，推力约为0。8N，比冲7000s；采用先进液滴辐射散热器
　　核动力飞船在轨质量22吨，寿命不低于10年
　　俄罗斯的核电推进航天器构想图美国
　　2003年，NASA开展了普罗米修斯研究计划，普罗米修斯计划是由美国NASA组织实施的第一次应用空间核电推进（NEP）进行深空探测任务的国家工程，工程由JPL总负责，美国橡树岭国家实验室（ORNL）、圣地亚国家实验室（SNL）等多家美国国家级研究机构参与项目实施
　　工程始于2003年，第一期是木星冰卫轨道器（JIMO）工程，计划于2020年、2022年、2023年分别实现木卫二、木卫三和木卫四的探测应用
　　航天器总重37t，有效载荷1。5t，核电推进系统总重超过26t，占据整个航天器绝大部分质量，这与传统航天器结构和重量配比存在巨大差异
　　原定于2015年5月启动的JIMO任务包括三次发射，将深空探测飞行器运至高度407km，倾角28。5的轨道；之后两次发射将2个转移飞行器运至临近轨道并与深空探测飞行器对接；对接后的航天器整体开始星际飞行
　　JIMO航天器结构
　　电推进系统包括三种不同类型的电推力器，巡航阶段采用8台30kWe离子推力器，其中2台为备份。轨道转移阶段用6台20kWe霍尔推力器，姿态控制用12台1kWe霍尔推力器，其中6台为备份，子系统湿重14。6t（包括12t推进剂）
　　此外，也将Li工质MPD作为重要备选方案之一欧空局
　　欧空局也在大力发展空间核动力技术，主要执行了DiPoP（颠覆性空间动力与推进技术）项目和MEGAHIT（兆瓦级高效空间动力系统）计划
　　DiPoP项目重点对30kWe星表前哨站电源系统和200kWe核电推进系统进行研究。MEGAHIT计划主要用于确定兆瓦级核电推进系统的技术路线图。目前已完成了核电推进各分系统的技术选型，转入了为地面演示做准备的技术开发阶段
　　我国相关技术所处地位
　　空间核电推进技术本身的系统复杂度高，技术难度很大，又受到航天器体积重量的严格约束
　　在2019年的《大功率空间核电推进技术研究进展》一文中通过对该技术的自身特点和国内外发展情况进行综合分析得出要研制空间核电推进系统，需要解决如下关键技术：空间核电推进系统的总体设计技术
　　空间高可靠小型化核电源技术
　　大功率长寿命电推进技术
　　大功率高压电源管理技术
　　空间大功率轻质高效热排放技术空间核电推进系统总体技术
　　我国于20世纪70年开始开展空间核动力相关研究工作，受太阳能电池技术发展、应用前景不明朗等因素影响，相关工作一度进展缓慢
　　（有可能会有朋友觉得我们刚刚起步，但说实话，我国很多技术起步都很早，而为什么近几年才爆发就是氪金啊）
　　1994年，香山会议使得我国空间核动力迎来转机，会议建议核与航天管理部门联合向上级机关汇报开展空间核电源研制的必要性，促成早日立项，密切配合，制定我国空间核电源发展规划
　　2015年，由北京控制工程研究所（五院502所）牵头，联合中国原子能科学研究院和北京航空航天大学成立了空间核推进联合实验室，重点开展空间核电推进系统、核心单机研制等工作，尽快实现我国首个空间核电推进航天器在轨飞行
　　空间核反应堆技术
　　自20世纪90年代起，中国原子能科学研究院对空间热离子核反应堆进行了研究，取得了多项具有应用前景的科研成果，建成了一系列基础性研究和试验测试设施
　　21世纪以来，中国原子能科学研究院进一步对热管型空间核电源和基于动态转换的空间核电源开展了理论和实验研究工作，提出了多种适用于空间环境的概念性方案
　　此外，中国工程物理研究院、清华大学、中国科学研究院核能安全技术研究所、中国西南核物理研究院等单位也正在开展空间核反应堆电源技术的相关研究工作
　　美国新一代空间核反应堆电源Kilopower高效空间大功率核能热电转换技术
　　国内开展大功率空间核能热电转换技术主要集中在斯特林、闭式布雷顿和磁流体这三种方式
　　在闭式布雷顿热电转换领域，清华大学核能与新能源技术研究院针对HeXe混合气体物性影响、系统热力学优化、旁路阀调节等开展了大量理论研究
　　北京控制工程研究所自2016年起开展了空间布雷顿循环热电转换系统的研制工作，目前10kWe级样机早已进入测试阶段
　　Glenn研究中心研制出2kWe布雷顿循环样机闭式布雷顿循环，通常为回热式燃气轮机内的闭式循环，其工质可采用氦气（He）、氩气（Ar）等惰性气体及超临界二氧化碳（SCO2）气体，通常由高、低压压气机、涡轮、预冷器、中间冷却器和回热器组成，具有发电效率高、寿命长、系统简单、安全可靠、经济性好等优点
　　热电转换效率可达30以上，尤其是SCO2循环系统，其效率可达50，被认为是新一代高效核能热电转换技术的重点发展方向之一
　　在斯特林热电转换领域，兰州空间技术物理研究所于2012年完成了国内首个T型结构斯特林发电机关键技术攻关
　　中电16所于2015年公布了其研制的空间用30W斯特林发电机原理样机，质量1。3kg，得到33W发电功率，净效率为18。22。此外，中科院理化技术研究所也开展了相关研究。
　　NASA的SP100项目中设计了空间功率演示发动机（SPDE）
　　国内对于空间核能磁流体发电系统的研究起步较晚。目前，北京空间飞行器总体设计部开展了空间磁流体发电技术的概念及样机设计研究，并为月球基地闭环核能磁流体发电设计了技术方案大功率电推进系统技术
　　国内开展大功率电推进研究的单位主要有北京控制工程研究所、兰州空间技术物理研究所、上海空间推进研究所、西安航天动力研究所、北京航空航天大学等
　　兰州空间技术物理研究所在大功率电推进研究领域重点开展10kWe级大功率离子电推进、20kWe离子霍尔混合电推进，其中已完成20kWe离子霍尔混合电推力器初步点火试验。
　　上海空间推进技术研究所在大功率电推进研究领域重点开展10kWe级大功率霍尔电推进技术研究，其中已经完成10kWe霍尔电推力器原理样机研制和性能点火试验，比冲2260s，推力500mN；正在开展50kWe霍尔电推力器研制工作
　　北京控制工程研究所联合北京航空航天大学重点开展大功率100kWe级MPDT研究工作，已经完成一系列原理样机研制工作和性能点火试验（如图19所示），目前最大点火功率114kWe，推力3N，最高比冲5360s，效率69，填补了国内空白，是目前国内唯一实现100kWe以上点火的电推力器，核心技术指标与国外同功率推力器产品相比处于国际先进水平
　　西安航天动力研究所在大功率电推进研究领域重点开展30kWe100kWe级大功率VASIMR技术研究，其中已经完成30kWe可变比冲磁等离子体发动机试验样机研制和初步点火试验大功率电源处理单元技术
　　北京控制工程研究所针对未来大功率推力器的需求，开展了10kWe单模块的PPU工程样机的研制工作，该PPU的主功率电源采用全桥拓扑，电源效率约96，主开关管采用4只SiC基MOSFET，输出采用SiC基肖特基整流二极管
　　多个10kWe单模块PPU并联即可为50kWe100kWe的MPD推力器提供电源
　　大流量高精度贮供单元技术
　　国内对贮供系统的研究开始于20世纪90年代后期，目前已经完成了多颗卫星电推进贮供系统的研制工作，主要包括5kWe多模式电推进系统，贮供采取1级bangbang电子减压2级比例减压迷宫型流量控制器结合的方式，压力比例阀的减压比低，易于控制调节，系统的流量输出精度高
　　用于霍尔离子推力器的推进剂仍以Xe为主，采取成熟度较高的全比例减压的方式可实现数十mgs流量的宽范围多级调节
　　国内在碱金属推进剂贮供研究方面仍处于方案设计阶段：
　　北京航空航天大学王海兴等根据碱金属特点提出了采用冷却水实现Li推进剂的截止设想
　　北京控制工程研究所张云雁等提出了基于相变通断温控阀的Li推进剂供给系统设计方案，并对其贮存、供给和使用安全性等问题提出了进一步发展研究建议
　　此外，上海空间推进研究所肖开阳等也提出了Li贮供系统方案及热控方案
　　哈尔滨工业大学研究团队已开展碘工质推力器及其地面贮供系统的研制工作，利用热节流原理搭建了流量控制平台，能够满足流量大范围可调的要求
　　普林斯顿大学在2012年进行的试验中使用的Li推进剂贮供系统，由一个Li贮箱、Li容器（气缸）、活塞和活塞驱动电机、Li冷冻阀、冷却水回路、管路和Ar注入管路组成轻质空间大功率热排放技术
　　中国原子能科学研究院针对空间热离子堆核动力装置进行了研究，热离子堆堆芯采用NaK碱金属回路将废热取出，传递给K热管辐射器进行热量排散，热排放系统工作温度770K以上，散热量为200kWt，辐射器的面积为10
　　中国工程物理研究院提出了基于热管反应堆温差发电技术的技术路线，采用Na热管将核反应堆的热量传递给温差发电换热器热端，温差发电冷端与K热管辐射器耦合，通过K热管辐射器将废热排散，散热量194kWt，辐射器的面积21
　　北京空间飞行器总体部设计开展了空间核动力装置废热排散技术的研究，提出了采用泵驱两相流体回路进行废热的收集和传输，工质采用水，并完成了原理样机的研制，采用热风模拟热源，泵驱两相水回路工作在450K，传热量15kWt
　　木星冰卫星轨道器研制了轻质耐高温碳化纤维散热器，碳化纤维散热器采用编织方法加工，编织了一组实验样片，并对热管样片进行了测试
　　空间核电推进技术是空间推进技术的制高点，是国家实力的集中体现
　　世界主要航天强国均将该技术作为国家战略优先发展，该技术也是我国成为航天强国的标志性技术
　　而当年我国科研工作人员提出了
　　同步规划地面关键技术攻关与在轨演示验证项目，综合考虑相关技术进展，可适时安排10kWe级空间核电推进系统的在轨演示验证，通过在轨飞行积累经验并提出优化改进方案，同时开展百kWe级空间核电推进系统关键技术攻关和MWe级空间核电推进系统的方案设计
　　是不是快到了该要兑现的时候了呢？！
　　参考资料：
　　1、《推进技术》相关论文
　　2、相关媒体
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