楊紫光，葉 芳，郭 航，馬重芳

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

進(jìn)展與述評(píng)

航天電源技術(shù)研究進(jìn)展

楊紫光，葉 芳，郭 航，馬重芳

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

航天電源具備高能量密度、高可靠性、長時(shí)間供電等特點(diǎn)， 近年來多種航天電源發(fā)展迅速。本文介紹了再生型燃料電池、鋰離子蓄電池等新型化學(xué)能源，新型的太陽能電池技術(shù)，太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)和核能熱發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀；著重闡述了在航天飛行器上應(yīng)用的化學(xué)蓄電池、太陽能電池陣-蓄電池組、燃料電池、核能發(fā)電系統(tǒng)等電源系統(tǒng)的特點(diǎn)及存在的問題。對于航天電源運(yùn)控相關(guān)的流動(dòng)與傳熱問題做了深入探討，并展望了航天電源的研究方向：太陽能電池有向薄膜化方向發(fā)展的趨勢，化學(xué)蓄電池主要配合太陽能電池；燃料電池適用于長時(shí)間遠(yuǎn)距離活動(dòng)；核能適用大功率、長航時(shí)航天器。

航天電源；太陽能電池；燃料電池；核能發(fā)電系統(tǒng)；微重力

航天電源作為航天系統(tǒng)儀器儀表、遙測設(shè)備等的電力支持系統(tǒng)，可靠性要求很高。在人類航天史上，就其應(yīng)用來說，電能主要由太陽能、化學(xué)能、核能轉(zhuǎn)化而來，可以分為無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)電源和有機(jī)械運(yùn)動(dòng)（熱力循環(huán)）的動(dòng)態(tài)電源兩種，靜態(tài)電源中由于不含有移動(dòng)部件，其可靠性和壽命均有比較明顯的優(yōu)勢，目前真正實(shí)用的航天電源均為靜態(tài)電源。

人類航天活動(dòng)中應(yīng)用過的電源主要包括一次化學(xué)電池、太陽能電池、化學(xué)蓄電池、燃料電池、核能熱電系統(tǒng)等，太陽能熱發(fā)電及核熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)已有不少的實(shí)驗(yàn)研究[1-4]。這些電源占世界航天電源應(yīng)用總和的比例分別為：太陽能電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)90%；化學(xué)電池5%；燃料電池3%；核能發(fā)電則占約2%[5]。如圖1所示為航天電源的主要類型。

圖1 航天電源的主要類型

靜態(tài)電源如太陽能電池和蓄電池沒有工質(zhì)宏觀上的流動(dòng)，需要考慮的散熱問題相對簡單，可操作空間相對較小，維持電池部件間良好的熱流通、電池表面的散熱以及控制電池的功率輸出是通常采用的方法。動(dòng)態(tài)電源主要是指采用熱力循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)存在工質(zhì)流動(dòng)，散熱等問題主要在工質(zhì)流動(dòng)過程中解決，通過專門設(shè)計(jì)的流動(dòng)通道以及獨(dú)立的散/換熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)散熱，從散熱原理上來看動(dòng)態(tài)電源也更加適合大功率發(fā)電系統(tǒng)。嚴(yán)格來說航天應(yīng)用中的燃料電池的燃料供應(yīng)方式為主動(dòng)式，工質(zhì)也存在著流動(dòng)，但與普通熱機(jī)不同，燃料電池中不含有運(yùn)動(dòng)部件，只有工質(zhì)沿流道在反應(yīng)面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在這里作者將其劃歸靜態(tài)電源。

1 太陽能在航天電源應(yīng)用中的發(fā)展

航天領(lǐng)域中太陽能的利用方式主要包括：光伏發(fā)電，太陽能熱動(dòng)力發(fā)電，依靠太陽光能或熱能促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)（例如燃料制備和蓄熱介質(zhì)）等。

1.1 航天太陽能電池的發(fā)展

以光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的太陽能電池可將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，是人造衛(wèi)星以及空間站等航天飛行器的最常用電源。在太陽照射不到的陰影區(qū)，為了保證航天飛行器的連續(xù)正常工作，一般太陽能電池陣列都需要與儲(chǔ)能裝置如蓄電池組以及配電系統(tǒng)等共同構(gòu)成航天飛行器的電源系統(tǒng)。太陽能電池的第一次使用是在 1958年美國發(fā)射的先鋒 1號(hào)Vanguard衛(wèi)星上[6]。在實(shí)際應(yīng)用中的光電轉(zhuǎn)換效率一般在6%～25%，單位面積功率可達(dá)到150 W/m2，單位質(zhì)量功率密度則可達(dá)到200 W/kg[7]。

太陽能電池?zé)o須自帶燃料，為飛行器釋放了較大的空間和負(fù)載，在功率需求相對較小、使用壽命相對較短的繞地軌道飛行器上的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。硅太陽電池、砷化鎵太陽電池是兩種常見的空間太陽電池，為了節(jié)約成本及增大電池面積，目前這兩種電池?zé)衢T研究領(lǐng)域是薄膜型（thin-film）太陽電池。與體裝式相比，隨著功率需求的增加，展開式太陽電池陣的應(yīng)用比例正在逐漸增大。

（1）硅太陽能電池的發(fā)展 1954年美國 Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的世界上第一塊硅電池的能量轉(zhuǎn)換效率只有 6%。太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化損失主要是太陽光的反射、吸收損失，電池溫升造成的能量流失，電池內(nèi)部的電壓降損失，電子集流損失等。隨著諸多新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用，如電池表面絨化、鈍化等減弱光反射損失，背接觸式電池則從結(jié)構(gòu)上減少遮光損失，以及電池溫升問題的解決，硅電池目前的轉(zhuǎn)換效率已超過20%。德國ISFH研究所制作的RISE（rear interdigitated single evaporation）電池在采用硼背場結(jié)構(gòu)時(shí)的效率達(dá)到了 21.5%[8]。另外據(jù)最新的報(bào)道，著名的德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所 2009年公布的單晶硅的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率甚至已經(jīng)達(dá)到了23.4%[9]。

目前硅電池的主要技術(shù)發(fā)展趨勢有兩個(gè)：一個(gè)是薄膜型電池的研究開發(fā)，另一個(gè)就是尋求提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)途徑[10]。尋找合適的電池襯底以及硅電池在這些襯底上的制作方法是節(jié)約成本的重要措施。薄膜型電池在技術(shù)上的問題在于非硅襯底上硅晶粒的長大比較困難，制作時(shí)晶粒的連續(xù)性不好。目前薄膜型硅電池常見的有多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池。制作薄膜型電池的方法主要是氣相沉積法，另外濺射法以及利用液相外延原理制備的方法也有一定應(yīng)用。

（2）砷化鎵太陽能電池的發(fā)展 砷化鎵（GaAs）太陽能電池是ⅢⅤ族系化合物材料太陽能電池的代表。ⅢⅤ族太陽能電池的種類有很多種，主要的有兩系，即GaAs系和InP系。GaAs太陽能電池具有高于硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，在較高的電池溫度下仍能有較好的工作性能，因此目前在航天器主電源上的應(yīng)用比例增加很快[11]。單結(jié)砷化鎵電池的轉(zhuǎn)化效率較低，對太陽光能的吸收存在較多的浪費(fèi)，近年來已經(jīng)發(fā)展出了三結(jié)以及更高結(jié)的砷化鎵電池。三結(jié)或多結(jié)電池是指采用疊層技術(shù)將對太陽光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料制作成多個(gè)P-N結(jié)結(jié)構(gòu)的電池。三結(jié)砷化鎵電池在2002年已經(jīng)應(yīng)用于軌道飛行器上，最大轉(zhuǎn)化效率達(dá)到26.5%[5]。四結(jié)砷化鎵電池的轉(zhuǎn)化效率已達(dá)35%，相對成本大為降低，單位面積功率密度和單位質(zhì)量功率密度分別在375 W/m2和145 W/kg[11]。

1.2 太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展

太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)采用聚光技術(shù)將光聚集到吸熱設(shè)備吸收熱能，然后驅(qū)動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行熱力循環(huán)發(fā)電或者直接熱電轉(zhuǎn)換。這種系統(tǒng)相對光伏發(fā)電而言，有較高的能量利用效率。太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)低于光伏電池，近些年來地面的太陽能應(yīng)用開始有向太陽能熱動(dòng)力發(fā)電方向發(fā)展的趨勢，在空間能源應(yīng)用中也有一定研究[3，9]。美國和俄羅斯曾經(jīng)聯(lián)合為國際空間站開發(fā)過一種熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)作為太陽能電池陣的余熱回收及電源輔助利用設(shè)備，太陽能利用效率在試驗(yàn)中已經(jīng)達(dá)到30%，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱能利用效率約為 90%[7]，不過該系統(tǒng)并沒有實(shí)際應(yīng)用。

太陽能熱動(dòng)力發(fā)電的動(dòng)力循環(huán)一般有3種：斯特林循環(huán)（Stirling）、布雷頓循環(huán)（Brayton）、朗肯循環(huán)（Rankine）等。斯特林機(jī)是一種外燃機(jī)，工質(zhì)為氣體（氫氣、氦氣等），熱源在氣缸外加熱，工質(zhì)受熱膨脹做功產(chǎn)生動(dòng)力。布雷頓循環(huán)也采用氣體工質(zhì)，系統(tǒng)主要包括渦輪發(fā)電機(jī)、壓氣機(jī)以及散熱器等，太陽能加熱經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮的氣體工質(zhì)，獲得高溫高壓的氣體驅(qū)動(dòng)渦輪產(chǎn)生動(dòng)力，膨脹做功之后的氣體經(jīng)過散熱器冷卻之后進(jìn)入壓氣機(jī)從而完成循環(huán)。朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)為水或某些合適的制冷劑等[12]，循環(huán)過程中存在氣液兩相流動(dòng)，技術(shù)上相比前兩種循環(huán)難度增加[13]，目前朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)在航天上應(yīng)用的研究很少，但是該循環(huán)存在相變，同等條件下吸收的熱量要遠(yuǎn)大于沒有相變的循環(huán)。熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)由于工質(zhì)流速較高，微重力環(huán)境對工質(zhì)流動(dòng)的影響較小。在這幾種循環(huán)中，散熱器是系統(tǒng)的基本組成部分之一，工質(zhì)流動(dòng)及散熱受流道的形狀影響很大，對系統(tǒng)的性能優(yōu)化有顯著作用。日本Ohta等[14]針對空間電站廢熱排放所進(jìn)行的兩相窄通道流動(dòng)沸騰傳熱研究，強(qiáng)化效果明顯。太陽能熱動(dòng)力發(fā)電循環(huán)的散熱器一般為平板型，由于熱源的特性不同系統(tǒng)的布置不如核動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)緊湊。

2 化學(xué)能源在航天電源應(yīng)用上的發(fā)展

化學(xué)能源主要是指各種通過化學(xué)反應(yīng)的方法來儲(chǔ)存、釋放電能的能源，主要有各種化學(xué)蓄電池以及適合應(yīng)用于航天的各種燃料電池等。化學(xué)蓄電池儲(chǔ)存的電能容量有限，主要用于太陽能電池在產(chǎn)電高峰期時(shí)儲(chǔ)能以應(yīng)對地影期的設(shè)備電力供應(yīng)。燃料電池因其反應(yīng)產(chǎn)物為水，簡單處理后可以直接飲用，在載人飛行器上的使用較多。例如美國的航天飛機(jī)以及登月飛船上都采用了燃料電池作主電源，燃料電池由于存在工質(zhì)的流動(dòng)，在太空環(huán)境中會(huì)呈現(xiàn)一些與地面上顯著不同的特性。

2.1 化學(xué)電池組的發(fā)展

在航天活動(dòng)中最為常見的一次化學(xué)電池是銀鋅電池、鋰原電池及Li/SOCl2電池等，這類電池?zé)o法重復(fù)充電，目前只在返回式衛(wèi)星、火箭等少數(shù)短時(shí)航天飛行器及一些航天飛行器的備用電源中還有應(yīng)用。Li/SOCl2電池的優(yōu)點(diǎn)是可在-55～85 ℃的溫度范圍內(nèi)能正常工作，短時(shí)大電流放電可達(dá)幾百安培，單位質(zhì)量能量密度已經(jīng)達(dá)到0.4～0.6 kWh/kg，單位體積能量密度則為800 kWh/m3[15]，但在高電流放電時(shí)存在散熱問題并導(dǎo)致安全性問題，限制了這種電池的發(fā)展。

航天活動(dòng)中已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的蓄電池組主要包括銀鋅、銀鎘、鎳鎘、鎳氫、鋰離子蓄電池組等類型。表1是幾種主要儲(chǔ)能蓄電池組的基本性能。

表1 幾種主要的航天儲(chǔ)能蓄電池組性能表

銀鋅電池性能穩(wěn)定，1957年前蘇聯(lián)發(fā)射的世界第一顆人造地球衛(wèi)星 Sputnik-1采用的就是銀鋅蓄電池組。銀鋅蓄電池在干燥環(huán)境中可以保存5年，但在濕荷態(tài)條件下自放電現(xiàn)象嚴(yán)重，只能保存1～2個(gè)月[16]，且循環(huán)充放電次數(shù)較少。由于缺點(diǎn)明顯，目前鋅銀蓄電池組在航天活動(dòng)中的應(yīng)用已經(jīng)很少見，多應(yīng)用于載人航天的應(yīng)急備用電源上。

鎳鎘蓄電池在航天中的應(yīng)用最早可以追溯到1959年美國發(fā)射的Explorer-6衛(wèi)星上。從表1可以看出鎳鎘電池具有很長的使用壽命和循環(huán)壽命，是目前技術(shù)最為成熟的航天應(yīng)用化學(xué)電源，在航天應(yīng)用中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，外形為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為12.3 in×7.3 in×7.7 in（1in=0.0254 m），在靜止軌道衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星的儲(chǔ)能電源上有很廣泛的應(yīng)用，我國發(fā)射的“神舟號(hào)”載人航天飛船采用的電源儲(chǔ)能系統(tǒng)就包括鎳鎘蓄電池組[5]。鎳鎘蓄電池具有充電和放電記憶效性，過放電會(huì)較大地影響電池的使用循環(huán)壽命。近年來鎳鎘電池充放電記憶性已經(jīng)較好的得到改善，但隨著鎳氫蓄電池的應(yīng)用日益成熟，其在許多場合逐漸被替代已不可避免。

鎳氫蓄電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，于 1977年第一次出現(xiàn)在美國海軍技術(shù)衛(wèi)星 2號(hào)（NTS-2）[5]上，正極與鎳鎘電池相同，負(fù)極則用燃料電池的氫電極代替鎘電極使得電池的質(zhì)量降低，單位質(zhì)量能量密度增高，但電池負(fù)極是氣體電極，體積較大，單位體積能量密度相對較低。鎳氫蓄電池的充放電記憶性遠(yuǎn)弱于鎳鎘電池，且在過放電和過充電時(shí)對電池的性能影響相對較小，但自放電速度較高，且氫氣具有一定的安全隱患。目前的高空衛(wèi)星上的儲(chǔ)能電源系統(tǒng)應(yīng)用鎳氫電池已經(jīng)很普遍，在低軌道飛行器如國際空間站和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上已經(jīng)開始使用鎳氫蓄電池組代替鎳鎘電池來做儲(chǔ)能電源。

鋰離子蓄電池在航天儲(chǔ)能系統(tǒng)中的最早應(yīng)用是2000年英國發(fā)射的STRV-1d小型衛(wèi)星[5]，應(yīng)用還處于早期，通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)鋰離子蓄電池組的單位質(zhì)量和單位體積比能量都顯著地高于其它化學(xué)電池，且溫度適用范圍也較寬，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。鋰離子電池的循環(huán)使用壽命較低，在未來的航天應(yīng)用中充當(dāng)過渡電源的可能性較高。

銀鋅電池是航天活動(dòng)起始階段所使用的人造衛(wèi)星主電源，隨后發(fā)展的鎳鎘和鎳氫及其它蓄電池組均作為儲(chǔ)能電源使用，鎳鎘蓄電池是應(yīng)用最多的航天蓄電池組，鎳氫電池優(yōu)良的功率特性使得其在航天上的應(yīng)用迅速增加，和鎳鎘電池構(gòu)成目前儲(chǔ)能電池的主體部分，此外還有鋰硫、鈉硫蓄電池等許多處于試驗(yàn)階段的蓄電池類型[5]。在太陽能電池陣-儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)中，充放電控制技術(shù)[19]、功率分配技術(shù)[20]及電纜加工和分布設(shè)計(jì)[21]都是航天電源的重要技術(shù)。

2.2 航天用燃料電池的發(fā)展

燃料電池同時(shí)具有化學(xué)電池和內(nèi)燃機(jī)的一些特點(diǎn)，在工作過程中需要持續(xù)補(bǔ)充燃料，直接輸出電能，不受卡諾循環(huán)限制，有很高的燃料利用效率。目前為止，在航天電源中，實(shí)際應(yīng)用的燃料電池類型有兩種，分別為質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）和堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC），共發(fā)展有三代，均由美國的NASA主持。

1962年美國發(fā)射的雙子星太空飛船上應(yīng)用的燃料電池采用的電解質(zhì)是聚苯乙烯磺酸膜，這種早期的PEMFC為圓柱型，直徑30 cm，高度為60 cm，電池系統(tǒng)質(zhì)量為30 kg?；撬崮ぴ陔姵毓ぷ鬟^程中會(huì)發(fā)生降解反應(yīng)，使電池迅速失效，使得這種電池的實(shí)際應(yīng)用時(shí)間較短，同時(shí)也促進(jìn)了第二代堿性燃料電池的開發(fā)。

NASA最終采用的第二代燃料電池是培根型（Bacon）堿性燃料電池，由 Pratt-Whitney公司開發(fā)的PC3A型堿性燃料電池系統(tǒng)成功應(yīng)用在Apollo系列登月飛船上。AFC電池采用的電解質(zhì)是氫氧化鉀溶液，燃料是氫氣，氧化劑是氧氣，PC3A型電池由31只單電池組成，反應(yīng)后的氫氣回收再利用，氧氣則在一定時(shí)間內(nèi)向太空排放一次，生成的產(chǎn)物水則收集處理之后供宇航員飲用，電池也為圓柱形，直徑為57 cm，高度為112 cm，電池系統(tǒng)總重110 kg。

表2 三代航天燃料電池主要性能數(shù)據(jù)表

20世紀(jì) 70年代之后，美國 UTC（United Technology Corporation）公司在NASA支持下開始著手開發(fā)新型的石棉膜型堿性燃料電池系統(tǒng)并在1981年成功首次應(yīng)用于美國航天飛機(jī)主電源上。這種電池性能比培根型有較大提高，電池為方形，尺寸為101 cm×35 cm×38 cm，電池系統(tǒng)總重91 kg。2006年發(fā)射的Atlantis號(hào)航天飛機(jī)應(yīng)用的燃料電池尺寸為101.6 cm×35.6 cm×38.1 cm，系統(tǒng)總重102 kg[22]，表明這種電池的應(yīng)用已經(jīng)成熟，變化不大。

AFC的缺點(diǎn)是電解液KOH的高腐蝕性限制了電池壽命，電池本身成本昂貴，維護(hù)困難，安全性也不好[23]。隨著新型PEMFC的發(fā)展，最近一二十年來航天用燃料電池的研究重心已經(jīng)回到了PEMFC上，目前航天上PEMFC的研究大多結(jié)合電解水系統(tǒng)組成再生型燃料電池（regenerative fuel cell，RFC）。關(guān)于利用太陽能制備氫氣及其它燃料的研究還有很多，如Wegeng等[24]通過熱化學(xué)反應(yīng)成功將太陽能儲(chǔ)存在甲烷的生成產(chǎn)物氫氣及其它烷烴化合物中。

RFC通常與太陽能電池或其它電源結(jié)合使用，可以提供穩(wěn)定連續(xù)的電能。由于燃料電池具有高比能量、清潔性、安全性以及不受卡諾循環(huán)限制的特點(diǎn)，RFC在月球以及火星基地中的應(yīng)用上有很大的吸引力。RFC的發(fā)展受各種技術(shù)因素的制約，目前可靠性還不高，循環(huán)工作時(shí)間較短。NASA對RFC研究的投入較多，在1999年報(bào)道的高空無人飛行器的實(shí)驗(yàn)中采用的電堆，功率密度為0.79 kWh/kg，總重53.06 kg，電效率為53.4%[25]，在2005年的報(bào)告中，RFC的循環(huán)工作時(shí)間最長的僅維持了149 h，太陽能電解池耗功15 kW，輸出功率為4.8 kW，電效率為32%[26]。

北京工業(yè)大學(xué)近年來開展了系統(tǒng)的微重力條件下燃料電池放電性能特點(diǎn)及兩相流傳質(zhì)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[27-32]。結(jié)果表明燃料電池性能受微重力的影響較大，主要原因在于反應(yīng)物及生成物的兩相流動(dòng)特征的改變。受到微重力條件下氣液兩相流動(dòng)規(guī)律的影響，不同類型的燃料電池呈現(xiàn)出不同的特征。PEMFC反應(yīng)生成的水會(huì)隨氣流迅速排出，液體在流道底部的積聚效應(yīng)很大程度上被削弱，這使得反應(yīng)氣體能夠更順利的擴(kuò)散到反應(yīng)表面，PEMFC在微重力下電池性能會(huì)有較明顯的提升[31]。DMFC（direct methanol fuel cell）中由于反應(yīng)物為溶液，生成的二氧化碳在浮升力作用下會(huì)更易排出，因此微重力環(huán)境下由于浮升力的消失性能甚至?xí)幸欢ǔ潭鹊膼夯?。趙建福[33]對氣液兩相流動(dòng)特別是核態(tài)沸騰在微重力下的表現(xiàn)特性有較全面的研究，對微重力下燃料電池內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律研究有較大的參考意義。

3 核能在航天電源應(yīng)用上的發(fā)展

航天活動(dòng)中，可以滿足能源的長時(shí)間持續(xù)供應(yīng)的途徑有兩種：一種是取自航天器外部的太陽光能；一種是航天器自帶的核能?？臻g用核能發(fā)電系統(tǒng)的研究集中在美俄兩國，已發(fā)展了幾代，主要是俄國（前蘇聯(lián)）的TOPAZ、“BUK”和美國的SNAP[34]系列電源，有些電源型號(hào)的實(shí)驗(yàn)最終失敗了，有些成功完成繞地軌道實(shí)驗(yàn)，時(shí)間從幾個(gè)月到5年以上。總的來說，俄羅斯要比美國走的更遠(yuǎn)一些，在軌道飛行器上成功運(yùn)行的核電系統(tǒng)也相對多于美國。

前蘇聯(lián)的空間核能發(fā)電系統(tǒng)的研究開始于 20世紀(jì)50年代末，主要成果出現(xiàn)在1965—1988年之間?！癇UK”系列的運(yùn)行時(shí)間大多在 6個(gè)月以下，運(yùn)行軌道也較低，TOPAZ-1的電源功率為5.5 kW，成功運(yùn)行在1987年成功發(fā)射的宇宙1876號(hào)衛(wèi)星上，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間為1年，轉(zhuǎn)化效率為5.6%。隨后俄國對空間核反應(yīng)堆的研究減緩，但已經(jīng)開發(fā)成功的TOPAZ-2電源的運(yùn)行壽命已經(jīng)達(dá)到了5年，輸出功率已可達(dá)到幾百千瓦。美國 1965年研制的SNAP-10A成功運(yùn)行在距地1300 km的軌道上，發(fā)電功率僅有0.5 kW，持續(xù)時(shí)間為1年，另美國也已經(jīng)研制成功了功率可達(dá)幾百千瓦的 SNAP-50型號(hào)電源[34]。

航天中的核能應(yīng)用一般可分為靜態(tài)發(fā)電和動(dòng)態(tài)發(fā)電兩類。靜態(tài)發(fā)電系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有運(yùn)動(dòng)部件，泄露的可能性低，系統(tǒng)可靠性高。動(dòng)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，發(fā)展的制約因素較多，可靠性較低。

3.1 核能靜態(tài)熱電系統(tǒng)

核能靜態(tài)電源技術(shù)主要有兩種：同位素溫差發(fā)電技術(shù)和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換（alkali-metal thermal-to-electric conversion，AMTEC）發(fā)電技術(shù)。美國NASA在深太空探索飛船如“先驅(qū)者”號(hào)、“旅行者”號(hào)等[35]飛船上采用的即為同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)。

放射性同位素溫差發(fā)電設(shè)計(jì)依據(jù)的原理是某些導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)（主要是Seeback效應(yīng)），熱源來自放射性同位素的衰變熱。目前在航天上使用的導(dǎo)體材料主要是SiGe合金，蔣中偉等[36]綜述了這種材料在熱電轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用和研究進(jìn)展。同位素溫差發(fā)電的效率一般較低，一種工作在1273 K和790 K熱源溫度下的 SiGe熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率僅能達(dá)到 6%[37]，目前同位素溫差發(fā)電機(jī)所能達(dá)到的效率在10%左右，已經(jīng)在航天上實(shí)際應(yīng)用的效率甚至在5%[38]以下。

AMTEC與溫差發(fā)電系統(tǒng)相比有大得多的能量轉(zhuǎn)化效率，一種工作在 1123 K和 650 K熱源之間的Na-AMTEC系統(tǒng)的效率可以達(dá)到27%，對應(yīng)的卡諾循環(huán)效率為60%，是一種先進(jìn)的具有很好發(fā)展前景的靜態(tài)核能發(fā)電系統(tǒng)[25]。這種發(fā)電系統(tǒng)采用 β-Al2O3薄膜作固體電解質(zhì)將電池隔成兩個(gè)不同溫度及壓力區(qū)，電解質(zhì)膜的厚度一般在0.5 mm以下，同時(shí)也起到隔熱作用。電源運(yùn)行時(shí)電解質(zhì)膜兩端的堿金屬存在濃度差，陽極端吸熱分解為金屬離子和電子，離子受壓力差作用透過膜到達(dá)陰極，電子經(jīng)過外接負(fù)載流入陰極與金屬離子結(jié)合為原子，釋出原子表現(xiàn)為氣態(tài)，冷卻為液態(tài)后泵入陽極，完成循環(huán)。Lodhi等[38]詳細(xì)論述了AMTEC電源從熱源到電解質(zhì)基管，從工作溫度到運(yùn)行循環(huán)設(shè)計(jì)及冷卻等各個(gè)部分的特點(diǎn)。AMTEC系統(tǒng)長時(shí)間工作時(shí)電解質(zhì)膜會(huì)在反應(yīng)過程中消耗，導(dǎo)致輸出功率惡化。運(yùn)行十萬小時(shí)以上時(shí)，電解質(zhì)惡化對輸出功率的影響將達(dá)到75%以上[38]，改變?chǔ)?Al2O3材料的微觀結(jié)構(gòu)有利于延長電源系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

3.2 核能動(dòng)態(tài)熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)

核能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的動(dòng)力循環(huán)與太陽能熱動(dòng)力系統(tǒng)基本相同，只是熱源來自于核能，結(jié)構(gòu)上也有不同。表3是來自于美國“SP100計(jì)劃”和“SNAP”（system for nuclear auxiliary power）計(jì)劃的3個(gè)試驗(yàn)發(fā)電循環(huán)的結(jié)果，采用Stirling和Brayton循環(huán)的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量分別為455 kW和464 kW，系統(tǒng)總質(zhì)量分別為5719 kg和5969 kg[39]，研究中壽命在10年以上。Gallo等[1]設(shè)計(jì)研究了一個(gè)40.8 kW的Brayton循環(huán)發(fā)電及測試系統(tǒng)，工質(zhì)為He-Xe混合氣體，峰值功率輸出時(shí)的熱能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了26%，在He氣中添加Xe氣可以將工質(zhì)的壓縮比提高幾倍。

表3 幾種空間核反應(yīng)堆電源的能量轉(zhuǎn)換效率

動(dòng)態(tài)電源發(fā)電可以達(dá)到很高的功率水平，在大型航天活動(dòng)如月球基地、火星載人探索領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)有突出的優(yōu)勢。但核能動(dòng)態(tài)利用的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，再加上近些年來深太空探索活動(dòng)的開展減少，迫切性需求不高，核熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展在近些年公開報(bào)道的較少，且并未在航天飛行器上使用。

3.3 航天用核能發(fā)電系統(tǒng)中的冷卻及安全問題

通過表3可以發(fā)現(xiàn)核能發(fā)電系統(tǒng)的能源利用效率最高的也僅在25%左右，核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量大部分都將以熱的形式釋放于系統(tǒng)中，如果這些熱量不能及時(shí)排出，將引發(fā)嚴(yán)重的事故，因此反應(yīng)堆冷卻是核能利用中的主要問題之一。航天用核能發(fā)電系統(tǒng)中的冷卻一般通過泵強(qiáng)迫液態(tài)金屬循環(huán)流動(dòng)將多余的熱帶走，或者通過熱管將熱量帶到輻射散熱器上排至太空。美國和俄國（前蘇聯(lián)）開發(fā)的這 3個(gè)系列的電源均采用NaK-78液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆。核熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)整體外形大致呈錐臺(tái)型，反應(yīng)堆處于錐臺(tái)頂端，動(dòng)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)、壓氣機(jī)同軸以提供動(dòng)力輸出，輻射散熱器在錐臺(tái)外圍布置，一般在錐臺(tái)底半部，工質(zhì)流動(dòng)循環(huán)會(huì)帶走一部分熱量，其它的則通過液態(tài)金屬冷卻循環(huán)帶至散熱器上[34，39]。靜態(tài)電源的低溫端常與輻射散熱器相連沿圓周布置成多組[37]。

核能存在固有的安全隱患，雖然相對太陽能來說不受太陽陰影區(qū)以及太空環(huán)境的影響，核安全問題卻仍然限制了其在近地軌道航天器上的應(yīng)用，目前僅應(yīng)用在深太空航天探索領(lǐng)域等不大可能使用太陽能的場合。

4 結(jié) 論

（1）太陽能電池是目前組成航天飛行器電源的主體，成本較高，轉(zhuǎn)化效率較低，不利于在深太空探索活動(dòng)中應(yīng)用，目前GaAs電池的研究較多，主要朝薄膜化方向發(fā)展。

（2）化學(xué)蓄電池組電池的容量和功率極限值有限，主要應(yīng)用在繞地或者近地飛行器上與太陽能電池陣配合使用，應(yīng)用最廣泛的是鎳鎘及鎳氫蓄電池組，鋰離子蓄電池組等的應(yīng)用也有一定發(fā)展。

（3）燃料電池目前在航天上的應(yīng)用大多為堿性燃料電池，近年來質(zhì)子交換膜燃料電池的研究增加很快，RFC的研究則主要基于月球基地等地外長時(shí)間有人探索活動(dòng)的需求。

（4）核能熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要應(yīng)用在大功率、長航時(shí)深太空探索領(lǐng)域，例如火星基地上，已經(jīng)應(yīng)用的是靜態(tài)發(fā)電電源，熱源是太陽能或者核能。

（5）合適的運(yùn)行溫度對化學(xué)電池、太陽能電池以及核能溫差電池、核能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)等的性能都有重要影響，研究靜態(tài)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性及動(dòng)態(tài)電源系統(tǒng)中的工質(zhì)流動(dòng)規(guī)律均對開發(fā)更高性能的航天電源有重要意義。

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Progress of space power technology

YANG Ziguang，YE Fang，GUO Hang，MA Chongfang
（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，M inistry of Education and Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijing Municipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The space power is required for high energy density，high reliability and long running time.The research of new energy technologies has drawn a great attention. This paper describes the development of these technologies，including new chem ical energy as regenerative fuel cell（RFC），lithium-ion batteries；new solar photovoltaic；solar and nuclear dynamic w ith high and long running power. And it is focused on the characteristics and the problem in these application space power systems：accumulators，solar array-accumulators，fuel cells and nuclear power，etc. The flow and heat transfer of these space power systems are described in this paper. Also，this paper has some future view on the space power：solar cells have the development for the thin film，chem ical power need the breakthrough of the new technology，the progress of the nuclear and solar dynamic power technology are essential to the long-running and high power in space.

space power；solar cells；fuel cells；nuclear electric generating systems；m icrogravity

V 442

A

1000-6613（2012）06-1231-07

2011-11-08；修改稿日期：2012-02-09。

國家自然科學(xué)基金（50976006，11102005）及新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NECT-10-0006）項(xiàng)目。

楊紫光（1987—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：葉芳，副教授。 E-mail yefang@bjut.edu.cn。