牛廠磊，羅志福，雷英俊，王文強(qiáng)，鄭見(jiàn)杰，喬學(xué)榮，羅洪義，胡文軍，鐘武燁

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.上海空間電源研究所 物理電源事業(yè)部，上海 200245；4.天津空間電源科技有限公司，天津 300384；5.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十八研究所，天津 222500；6.中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽(yáng) 621900）

引 言

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，由于航天技術(shù)的興起和不斷發(fā)展，人類向未知世界探索的腳步逐漸向太空邁進(jìn)，空間資源的探索及開(kāi)發(fā)成為大國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)的重要關(guān)注點(diǎn)[1-3]。隨著載荷火箭和探測(cè)器工作效能的不斷提高，人類探索空間的腳步越邁越遠(yuǎn)，從近地軌道不斷向更遠(yuǎn)的深空進(jìn)行探測(cè)[4]。深空探測(cè)已經(jīng)成為航天科技大國(guó)天體資源技術(shù)開(kāi)發(fā)和航天技術(shù)創(chuàng)新的助推器，成為科技領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性和帶動(dòng)性的高科技戰(zhàn)略支點(diǎn)，成為航天大國(guó)空間疆域開(kāi)拓與創(chuàng)新技術(shù)版圖拓展的前哨站。

所謂的深空探測(cè)是指脫離地球引力場(chǎng)，進(jìn)入太陽(yáng)系空間和宇宙空間的探測(cè)[5]。自1958年8月17日美國(guó)發(fā)射人類第一顆無(wú)人行星探測(cè)器“先驅(qū)者0號(hào)”（Pioneer 0）以來(lái)，人類共發(fā)射了200多個(gè)空間探測(cè)器，對(duì)月球、類地行星（水星、地球、火星、金星）、小行星、彗星、類木行星（包括木星、土星、天王星和海王星）等多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行探索，世界航天技術(shù)大國(guó)和大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都參與其中，先后開(kāi)展了多種類型的深空探測(cè)活動(dòng)[6-9]。

人類已進(jìn)行的深空探測(cè)活動(dòng)大體分為4類（如圖1所示），按照離地球由近及遠(yuǎn)可以分為：月球探測(cè)、火星探測(cè)、小天體探測(cè)、月球和火星之外的太陽(yáng)系天體探測(cè)（如木星探測(cè)）。

圖1 太陽(yáng)系星體分布示意圖Fig.1 Sketch map of the astral distribution of the solar system

美國(guó)、前蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、日本以及我國(guó)先后對(duì)月球進(jìn)行了123次探測(cè)任務(wù)，獲取了月球表面的基本地貌構(gòu)造、元素含量和物質(zhì)類型等大量珍貴數(shù)據(jù)；火星探測(cè)是月球探測(cè)之外又一大深空探測(cè)熱點(diǎn)，美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了37次火星探測(cè)，還有數(shù)項(xiàng)火星探測(cè)任務(wù)正在進(jìn)行或籌備中；此外，人類還對(duì)除月球、火星之外的太陽(yáng)系其它天體進(jìn)行68次探測(cè)，獲取的數(shù)據(jù)有助于解答地球起源與演變、行星和太陽(yáng)系的形成和演化、地球的未來(lái)如何等一系列問(wèn)題，也有利于人類積極開(kāi)發(fā)和利用空間資源。

空間電源系統(tǒng)是各種航天器中必不可少的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，決定著深空探測(cè)任務(wù)執(zhí)行的深度和廣度，是支撐深空探測(cè)器運(yùn)行、空間設(shè)備載荷發(fā)揮效能的重要保證[10-11]。美、蘇/俄等航天技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家均極其重視空間電源技術(shù)的發(fā)展，早在70年代美國(guó)就將空間電源系統(tǒng)列為五大航天技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目之一，并制定了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃；而蘇/俄則成立了一支從事空間電源理論研究、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍，服務(wù)于空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。自空間電源發(fā)展至今，先后有化學(xué)能電源（蓄電池）、太陽(yáng)能電源、同位素電源及空間核反應(yīng)堆（空間堆）電源幾種應(yīng)用于空間探測(cè)任務(wù)，空間電源的選用與其使用環(huán)境、任務(wù)周期、比質(zhì)量及成本控制等方面密切相關(guān)。然而，隨著深空探測(cè)任務(wù)深度和廣度的拓展，對(duì)空間電源的要求也越來(lái)越高，先進(jìn)電源技術(shù)成為影響航天技術(shù)的發(fā)展乃至深空探測(cè)任務(wù)順利進(jìn)行的重要因素。

鑒于此，本文從我國(guó)深空探測(cè)的任務(wù)剖面出發(fā)，探討我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)電源技術(shù)的具體需求；根據(jù)不同任務(wù)的具體需求，對(duì)目前應(yīng)用于深空探測(cè)領(lǐng)域的先進(jìn)電源技術(shù)進(jìn)行列舉和分析，討論不同電源技術(shù)在我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)中可能發(fā)揮的重要作用；通過(guò)對(duì)先進(jìn)電源技術(shù)的探討和闡述，以期為我國(guó)深空探測(cè)電源技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 我國(guó)深空探測(cè)電源需求

月球的探測(cè)是人類進(jìn)行深空探測(cè)的起點(diǎn)，我國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)同樣始于探月工程。目前，我國(guó)已經(jīng)完成了月球探測(cè)任務(wù)“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略的前兩步，實(shí)現(xiàn)了繞月探測(cè)、月面軟著陸和月背巡視，第三步的月球采樣返回任務(wù)也在緊張的組織實(shí)施中。根據(jù)我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，未來(lái)我國(guó)將有序開(kāi)展月球極區(qū)探測(cè)、火星探測(cè)、小天體探測(cè)、木星和其它行星探測(cè)的深空探測(cè)任務(wù)，這給深空探測(cè)任務(wù)的空間電源系統(tǒng)帶來(lái)重大挑戰(zhàn)[12]。

1.1 月球探測(cè)任務(wù)

我國(guó)探月四期任務(wù)瞄準(zhǔn)2030年后在月球南極建立中國(guó)月球科研站的目標(biāo)，先期開(kāi)展極區(qū)探測(cè)。對(duì)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)需求分別為：①不受低溫環(huán)境影響：能在極區(qū)表面光照條件差、溫度變化大（高溫高達(dá)約 + 120 ℃，月夜儲(chǔ)存溫度低至約-190 ℃）的惡劣環(huán)境條件下正常工作；②可靠性高：能在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，多器組合運(yùn)行的在軌關(guān)鍵階段提供具有一定裕度的可靠電能；③壽命長(zhǎng)：根據(jù)探月四期任務(wù)規(guī)劃，月面探測(cè)器工作壽命普遍增加至5～8年，要求電源系統(tǒng)的工作壽命不小于8年；④質(zhì)輕體?。河捎谶\(yùn)載能力和運(yùn)載空間的約束，空間電源要在保證能源供應(yīng)的前提下，盡可能質(zhì)量輕、體積小。

1.2 火星探測(cè)任務(wù)

火星探測(cè)是人類深空探測(cè)的一大熱點(diǎn)，迄今為止，人類共有37次火星探測(cè)任務(wù)取得成功。我國(guó)也在組織實(shí)施首次火星探測(cè)任務(wù)，首艘火星探測(cè)器計(jì)劃于2020年發(fā)射。對(duì)于火星探測(cè)任務(wù)的電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了要具備工作壽命長(zhǎng)、可靠性高、質(zhì)輕體小和不受低溫環(huán)境的影響的特點(diǎn)之外，還應(yīng)具備不受火星表面光照條件和火星塵的影響的顯著特點(diǎn)；這是因?yàn)榛鹦潜砻嫣?yáng)光照強(qiáng)度約為地球的43%，且受到火星表面大氣的影響火星表面太陽(yáng)光譜與AM0（Air Mass 0）光譜存在較大差異，因此電源系統(tǒng)要在這種光照條件正常工作；同時(shí)，電源系統(tǒng)還要保證在火星表面大量塵埃狀態(tài)下和爆發(fā)塵暴的條件下仍能正常工作。

1.3 小天體探測(cè)任務(wù)

小天體探測(cè)主要指的是對(duì)小行星和彗星的探測(cè)，已成為深空探測(cè)領(lǐng)域另一備受關(guān)注的熱點(diǎn)。小天體探測(cè)任務(wù)逐漸由“飛越探測(cè)”向“繞飛-附著-采樣”直至“偏轉(zhuǎn)-操控-利用”方向發(fā)展。美、歐、日先后完成了標(biāo)志性的任務(wù)，如日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”（Hayabusa）、歐洲“羅塞塔號(hào)”（Rosseta）及美國(guó)“黎明號(hào)”（Dawn）等。小天體探測(cè)的電源系統(tǒng)除具備工作壽命長(zhǎng)（10年以上）、可靠性高（可為多種任務(wù)的執(zhí)行提供電源保障）、不受光照條件和溫度影響等特點(diǎn)外，還應(yīng)具備輸出功率大且可根據(jù)需求自由調(diào)整的顯著特點(diǎn)，輸出功率可達(dá)到數(shù)百瓦甚至數(shù)千瓦，為電推進(jìn)負(fù)載提供足夠的電能。

1.4 木星系探測(cè)任務(wù)

人類對(duì)木星的探測(cè)始于1972年發(fā)射的“先驅(qū)者10號(hào)”（Pioneer 10），1989年發(fā)射的“伽利略號(hào)”（Galileo）探測(cè)器和2011年發(fā)射的“朱諾號(hào)”（Juno）[9]探測(cè)器分別于1995年和2016年抵達(dá)木星并對(duì)其進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。我國(guó)計(jì)劃在2030年前后對(duì)木星及其星系進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)。木星探測(cè)對(duì)空間電源的需求除了包括工作壽命長(zhǎng)（10年以上）、可靠性高（可為多種任務(wù)的執(zhí)行提供電源保障）、不受光照條件（飛行軌道可能受到木星地影期的影響，且木星表面光照強(qiáng)度為地球的3.4%）和溫度影響（溫度低至-140 ℃）等特點(diǎn)外，最顯著特點(diǎn)為不受木星磁場(chǎng)輻射帶中強(qiáng)于地球輻射帶數(shù)千倍的高能粒子影響[13]。

對(duì)比分析我國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)對(duì)空間電源系統(tǒng)的需求可以發(fā)現(xiàn)，隨著我國(guó)深空探測(cè)深度的拓展，空間電源系統(tǒng)除了要具有壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕的共性特點(diǎn)之外，還要具有其任務(wù)要求的獨(dú)特性能，如：火星探測(cè)器要其電源能在火星塵埃和時(shí)常爆發(fā)的塵暴條件正常的特點(diǎn)，小天體探測(cè)器電源具備輸出功率大且可根據(jù)需求自由調(diào)整的顯著特點(diǎn)，木星探測(cè)電源具有不受木星磁場(chǎng)輻射帶中強(qiáng)于地球輻射帶數(shù)千倍的高能粒子影響的顯著特點(diǎn)。

2 深空探測(cè)先進(jìn)電源技術(shù)

2.1 空間電源技術(shù)概述

最初應(yīng)用于空間的電源是移用其它應(yīng)用領(lǐng)域的電源，如銀鋅電池等，只能在早期的地球衛(wèi)星上執(zhí)行功率需求小、任務(wù)周期短的空間任務(wù)；隨著航天技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于空間領(lǐng)域的化學(xué)能電池、太陽(yáng)能電源、放射性同位素電源以及空間堆電源都得到了不同程度的發(fā)展。

2.2 鋰離子蓄電池

化學(xué)能電池是將電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存，并可以將化學(xué)能以電能的形式釋放出來(lái)的電源裝置[14]?？煞譃橐淮涡噪姵兀ㄈ珏i干電池、銀鋅電池、鋰電池、鋰氟化碳電池等）、二次可充電池（如鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池及鋰離子電池等）和燃料電池。其中，鋰離子電池是便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)裝備產(chǎn)業(yè)崛起的關(guān)鍵，在航空航天領(lǐng)域也多有應(yīng)用[15-16]。

作為目前最先進(jìn)的化學(xué)能電池，一次鋰電池和二次鋰離子蓄電池成為化學(xué)能電池領(lǐng)域研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。一次鋰電池可用于執(zhí)行地球軌道附近任務(wù)周期較短的空間探測(cè)任務(wù)。目前，性能最佳的一次鋰電池為鋰氟化碳電池，理論上，它的比容量可達(dá)2 180 Wh/kg，非常容易小型化和輕型化。此外，鋰氟化碳電池放電平穩(wěn)、工作范圍寬、自放電低且儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，因此受到極大的關(guān)注[17]。

二次鋰離子蓄電池理論源于20世紀(jì)70年代的“搖椅電池”，由可自由嵌入/脫嵌鋰離子的正負(fù)極材料、電解液、隔膜、外殼及安全絕緣部件組成[18]。與其它二次電池相比，鋰離子電池具有以下突出的優(yōu)勢(shì)：工作電壓高（鋰離子電池單體的工作電壓可達(dá)3.7～3.8 V，遠(yuǎn)高于鎳-氫電池單體電壓的1.2 V；較高的工作電壓使得鋰離子電池具有更高的功率密度，同時(shí)也能在相同體系電壓下減少鋰離子電池單體的使用數(shù)量，提高系統(tǒng)的一致性）、能量密度高（鋰離子電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度可達(dá)150 Wh/kg、450 Wh/L，約是鎳-氫蓄電池的2倍，鎳-鎘蓄電池的3倍）、良好的儲(chǔ)存壽命（擱置10年能量損失不大于10%）、循環(huán)壽命好（鋰離子可以在電池正負(fù)極間可逆脫嵌，循環(huán)壽命可達(dá)1 200次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鎳-氫電池）、工作溫度范圍廣（能夠在-25～45 ℃的溫度下工作）、以及具有磁凈化特點(diǎn)（不含磁性材料，滿足某些探測(cè)器裝置的磁凈化要求）等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是深空及星際探測(cè)最理想的空間儲(chǔ)能電池[19]。法國(guó)SATF公司在鋰離子蓄電池方面研究較早，其產(chǎn)品至少被應(yīng)用于54顆高軌道（GEO）通訊衛(wèi)星；此外歐洲航天局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的月球探測(cè)器“SMART-1”、火星探測(cè)器“火星快車”（Mars Express）；美國(guó)的火星探測(cè)器“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）、“勇氣號(hào)”（Spirit）等深空探測(cè)器也裝備有鋰離子蓄電池。

然而，與鎘-鎳蓄電池相比，鋰離子蓄電池在空間探測(cè)中的應(yīng)用歷史還較短，尚有大量關(guān)鍵技術(shù)需要在研究和實(shí)踐中解決，集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①高比容正極材料，由于受到鋰離子蓄電池正極材料比容量的限制，電池單次所蓄能量有限，難以獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)周期較長(zhǎng)的深空探測(cè)任務(wù)，需要與其它太陽(yáng)能電源、同位素電源等空間電源系統(tǒng)組合方能用于執(zhí)行長(zhǎng)周期深空探測(cè)任務(wù)；②電池安全性，鋰離子蓄電池對(duì)溫度敏感，高溫環(huán)境可能造成短路發(fā)生燃燒或爆炸；③荷電狀態(tài)（SoC）參數(shù)確定，與其它電源（如太陽(yáng)能電源）組合使用時(shí)，鋰離子蓄電池處于長(zhǎng)期擱置狀態(tài)，一定的荷電狀態(tài)（SoC）狀態(tài)會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生不可逆的損傷，必須對(duì)其SoC參數(shù)進(jìn)行研究。因此，開(kāi)發(fā)高比容正極材料、優(yōu)化電池安全性及工程應(yīng)用研究（如SoC狀態(tài)等）成為鋰離子蓄電池在深空探測(cè)應(yīng)用的重要方向。

2.3 太陽(yáng)能電源

太陽(yáng)能電源主要指的是通過(guò)光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，它具有不受星表晝夜光照條件的影響、工作壽命長(zhǎng)、功率范圍寬、可靈活布置且清潔環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，是目前空間探測(cè)中應(yīng)用最多的電源系統(tǒng)，占據(jù)航天器空間電源系統(tǒng)的絕大部分[20]。

自1958年美國(guó)首次將太陽(yáng)能電源系統(tǒng)應(yīng)用于“先鋒1號(hào)”（Vanguard I）人造衛(wèi)星以來(lái)，歷經(jīng)了第1代晶體硅太陽(yáng)能電源（采用單晶或多晶硅為原料，具有原料豐富、技術(shù)成熟、成本較低的優(yōu)勢(shì)，但存在電池厚度大、效率低、抗輻照能力差的不足）、第2代薄膜太陽(yáng)能電源（采用非晶硅、碲化鎘為原料，具有質(zhì)量輕、抗輻照性能好、成本低的優(yōu)勢(shì)，但還存在效率低、壽命短的不足）以及目前第3代聚光太陽(yáng)能電源。第3代高效太陽(yáng)能電源綜合了第1、第2代太陽(yáng)能電源的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了第1代太陽(yáng)能電源成本高、第2代薄膜電池轉(zhuǎn)換效率低的不足，并兼具原料豐富、安全環(huán)保等特點(diǎn)，目前以三結(jié)砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)電源為代表的聚光太陽(yáng)能電源最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)44.4%，量產(chǎn)效率達(dá)30%以上，已經(jīng)逐漸取代硅太陽(yáng)能電源，更高效的GaAs太陽(yáng)能電源（四結(jié)GaAs電池，效率達(dá)47.1%）也正在研制中[21]。

GaAs太陽(yáng)能電源主要經(jīng)歷了GaAs基系單結(jié)、雙結(jié)疊層、三結(jié)疊層的發(fā)展歷程，目前GaAs太陽(yáng)能電源主要為三結(jié)疊層GaAs[22]。美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯等空間技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在太陽(yáng)能電池的研發(fā)和應(yīng)用方面走在了世界的前面。早在20世紀(jì)80年代，砷化鎵太陽(yáng)電池就被應(yīng)用于蘇聯(lián)發(fā)射的“和平號(hào)”空間站上，總功率達(dá)10 kW，單位面積比功率達(dá)180 W/m2；美國(guó)1998年發(fā)射的空間技術(shù)驗(yàn)證宇宙飛船“深空1號(hào)”采用了第2代GalnP/GaAs高效雙結(jié)聚光電池，效率可達(dá)19%；進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)的“鳳凰號(hào)”（Phoenix）、“洞察號(hào)”（InSight）火星探測(cè)器，“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器，歐洲Marvin火星探測(cè)器以及美國(guó)Dawn、OSIRIS-REx與日本Hayabusa小行星探測(cè)器均選用了太陽(yáng)電池陣供電。我國(guó)的太陽(yáng)能電池技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展迅速快。中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司的柔性GaAs薄膜電池效率達(dá)34.5%，國(guó)內(nèi)航天用砷化鎵效率約為32%。在我國(guó)已進(jìn)行的深空探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器電源系統(tǒng)均采用“太陽(yáng)電池陣 + 蓄電池組”的組合方式，從“嫦娥1號(hào)”使用的第1代單晶硅太陽(yáng)電池片發(fā)展到“嫦娥4號(hào)”使用的第3代三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，太陽(yáng)光電轉(zhuǎn)換效率提升到30%。

從國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能電池的研制和應(yīng)用可以看出，太陽(yáng)能電池可以用于空間探測(cè)的大多數(shù)任務(wù)，如火星探測(cè)、小行星探測(cè)、木星探測(cè)等，但由于航天器在飛行過(guò)程中可能要經(jīng)歷變軌、外天體著陸、巡視、采樣返回等多種任務(wù)，環(huán)境條件復(fù)雜（如從地球飛向木星過(guò)程中，光照條件、輻照環(huán)境、溫度變化都非常劇烈，偏離或者超出一般太陽(yáng)能電池服役條件，會(huì)造成太陽(yáng)能電池性能下降或失效；火星表面光譜與AM0光譜存在較大差異，會(huì)造成太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率下降等），給太陽(yáng)能電源的應(yīng)用帶來(lái)極大的限制，因此只能應(yīng)用于部分木星內(nèi)空間探測(cè)任務(wù)[23]。

未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)的多樣化給太陽(yáng)能電源系統(tǒng)提出了更高的要求，除要求其具備效率高、壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)之外，還應(yīng)針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景具備相應(yīng)的性能特點(diǎn)。因此在深空探測(cè)領(lǐng)域太陽(yáng)能電源還擁有廣闊的發(fā)展空間。

針對(duì)我國(guó)后續(xù)空間任務(wù)，深空探測(cè)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)應(yīng)集中開(kāi)發(fā)以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：①開(kāi)發(fā)寬溫度和光強(qiáng)適應(yīng)性、抗輻照的太陽(yáng)電池陣，由于遠(yuǎn)離太陽(yáng)，光照強(qiáng)度低、溫度低，應(yīng)針對(duì)性地開(kāi)展低溫低光強(qiáng)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)；②開(kāi)發(fā)輕小型、智能化的電源控制裝置，針對(duì)質(zhì)量限制和深空中深遠(yuǎn)距離的帶來(lái)的通信時(shí)延，應(yīng)針對(duì)性地開(kāi)展小型化、智能化研究；③開(kāi)展高功率密度空間電源系統(tǒng)MPPT拓?fù)溲芯俊?/p>

2.4 放射性同位素電池

在深空探測(cè)中，由于探測(cè)任務(wù)遠(yuǎn)離太陽(yáng)或處于陰影區(qū)，光照嚴(yán)重不足且環(huán)境溫度過(guò)低，限制了鋰離子蓄電池和太陽(yáng)能電源使用，而空間核電源（放射性同位素電源、空間堆電源）具有不依賴太陽(yáng)、自主產(chǎn)生能量、能量密度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等顯著優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是深空探測(cè)任務(wù)的理想能源。

2.4.1 钚-238同位素電源的特點(diǎn)

同位素電源是利用各種能量轉(zhuǎn)換方式將同位素衰變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能的電源裝置，其中溫差型同位素電源技術(shù)最為成熟。由于钚-238同位素具有半衰期長(zhǎng)（87.7年）、比熱功率較高（0.56 W/g）及無(wú)需厚重輻射屏蔽（α衰變）等特性，钚-238同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG），簡(jiǎn)稱钚-238 RTG，成為遠(yuǎn)日、背日等深空探測(cè)任務(wù)中1千瓦及以下電能供應(yīng)的首要甚至唯一選擇。圖2為钚-238電源的基本結(jié)構(gòu)示意圖，主要由钚-238放射性同位素?zé)嵩矗≧adioisotope Heat Unit，RHU）、溫差電換能器和外殼3部分構(gòu)成。其中钚-238 RHU是將放射性同位素钚-238衰變過(guò)程中釋放的能量以熱量形式收集起來(lái)的裝置，由放射性同位素芯塊和包殼構(gòu)成，是钚-238電源“心臟”和能量之源；溫差電換能器可將衰變熱能轉(zhuǎn)換成電能，由半導(dǎo)體溫差電材料制成，是將熱能轉(zhuǎn)換成電能的核心部件；電源外殼（包括散熱裝置）將RHU、溫差電換能器及相應(yīng)固支結(jié)構(gòu)包裹固定在其內(nèi)部，同時(shí)將大部分熱量釋放出去[24]。

圖2 RTG基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of RTG

2.4.2 钚-238電源國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自19世紀(jì)50—60年代人類開(kāi)展深空探測(cè)以來(lái)，钚-238 RHU/RTG已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)任務(wù)中。其中，钚-238 RHU既可以單獨(dú)使用為探測(cè)器長(zhǎng)期保溫，又可作為能量之源制成钚-238 RTG為空間探測(cè)器長(zhǎng)期供電，被譽(yù)為是深空探測(cè)裝備的“生命之源”。在钚-238 RHU/RTG應(yīng)用方面，美國(guó)走在了世界的最前沿。迄今為止，美國(guó)在空間探測(cè)領(lǐng)域使用了超過(guò)200個(gè)钚-238 RHU，并在發(fā)射的26艘空間探測(cè)器中裝備了47個(gè)钚-238 RTG；截止到2015年7月，裝備有钚-238 RTG電源（工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)40余年）的“旅行者1號(hào)”（Voyager 1，于1977年9月5日發(fā)射）外太陽(yáng)系探測(cè)器，訪過(guò)木星及土星后，已經(jīng)飛到了太陽(yáng)系邊緣，仍能保持工作狀態(tài)，充分說(shuō)明了钚-238 RTG在空間探測(cè)任務(wù)中應(yīng)用的可靠性。

钚-238 RTG發(fā)展至今，歷經(jīng)了RTG、MHW（Multihundred Watt）-RTG、GPHS（General Purpose Heat Source）-RTG以及MM（Multi-mission）-RTG幾代。隨著深空探測(cè)任務(wù)對(duì)電源功率需求的增大，钚-238 RHU的熱功率和結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生重大變化；RHU的結(jié)構(gòu)從單體結(jié)構(gòu)變?yōu)槟K化結(jié)構(gòu)，輸出熱功率由數(shù)十瓦增加到數(shù)千瓦；同時(shí)，熱電換能器的效率也隨著钚-238 RTG研究的深入而不斷增加，從初始的4%左右增加到了6.7%，因而钚-238 RTG的輸出電功率從最初的2.7 W增至300 W，功率密度從約1.22 W/kg提高到5.36 W/kg[25]。以美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）為代表所開(kāi)發(fā)的新一代高效钚-238 RTG（Ehanced Multi-Mission RTG，eMMRTG）采用方鈷礦材料、寬溫域器件，熱電轉(zhuǎn)換效率大于7.5%，效率較“好奇號(hào)”（Curiosity）提高了24%，有望應(yīng)用于“新疆界計(jì)劃”的最新深空探測(cè)任務(wù)[26]。俄羅斯的空間核電源研究主要集中于空間堆電源領(lǐng)域，在钚-238 RTG方面研究較少?；谌蝿?wù)對(duì)長(zhǎng)工作壽命電源系統(tǒng)的需求，俄羅斯在1996年發(fā)射的“火星96”（Mars 96）火星探測(cè)器中采用4個(gè)钚-238 RTG，但由于任務(wù)失敗未在軌運(yùn)行。我國(guó)在“嫦娥4號(hào)”使用了中俄合作研制的钚-238 RHU和RTG，實(shí)現(xiàn)人類首次在月背著陸和巡視勘察，幫助著陸器和巡視器安全渡過(guò)月夜并成功喚醒；截止到2019年12月21日，在钚-238同位素?zé)嵩春屯凰仉娫吹膸椭?，“嫦?號(hào)”自主喚醒進(jìn)入第13月晝工作期。

2.4.3 影響钚-238 RTG應(yīng)用的關(guān)鍵因素

基于钚-238 RTG的發(fā)電原理及系統(tǒng)組成，結(jié)合其國(guó)內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用情況，應(yīng)著重考慮钚-238 RTG在安全性、功率密度、轉(zhuǎn)換效率、可靠性等方面的問(wèn)題。钚-238 RTG在研制、生產(chǎn)及應(yīng)用過(guò)程中的安全主要在于钚-238 RHU的安全，其原因是钚-238 RHU由極毒放射性同位素钚-238構(gòu)成，它的安全是RTG安全的基礎(chǔ)和前提條件[27-28]，功率密度與钚-238 RTG各個(gè)組成部分的質(zhì)量、體積等參數(shù)指標(biāo)密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)钚-238 RTG在深空探測(cè)設(shè)備中適用性的綜合指標(biāo)；高轉(zhuǎn)換效率的換能器是研制高效钚-238 RTG的關(guān)鍵，在節(jié)省昂貴放射性同位素原料和延長(zhǎng)RHU使用壽命等方面起著決定性作用[29]，具體見(jiàn)下。

1）安全性是钚-238 RHU/RTG的應(yīng)用基礎(chǔ)和前提

由于钚-238 RHU/RTG固有的放射性，裝載钚-238 RHU/RTG的航天器一旦發(fā)生事故，有可能對(duì)地球生物圈帶來(lái)極大的危害，如美國(guó)1964年發(fā)射失敗的Transit-5BN-3衛(wèi)星在再入大氣層過(guò)程中燃燒，其裝備的SNAP-9A钚-238 RTG將攜帶的17 000 Ci的金屬钚燃料釋放到大氣層，造成嚴(yán)重污染。因此保證在研制、貯存、運(yùn)輸、發(fā)射、在軌運(yùn)行及廢棄處置等全生命周期的正常和事故環(huán)境下的安全性是钚-238 RHU/RTG應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。

為了保證钚-238 RHU/RTG的應(yīng)用安全，美國(guó)和俄羅斯均制定了空間核能應(yīng)用相關(guān)的安全政策、安全要求以及安全準(zhǔn)則等，其中包含大量钚-238 RHU的安全性試驗(yàn)，而且在空間探測(cè)器發(fā)射前根據(jù)安全性試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行大量安全性試驗(yàn)。美國(guó)重點(diǎn)開(kāi)展了以下安全性試驗(yàn)項(xiàng)目包括：火箭爆炸沖擊試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射階段火箭爆炸沖擊波對(duì)钚-238 RHU/RTG產(chǎn)生的沖擊的試驗(yàn)）、火箭推進(jìn)劑燃燒試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射階段火箭爆炸，钚-238 RHU/RTG暴露在火箭推進(jìn)劑燃燒環(huán)境中的試驗(yàn)）、高速碎片撞擊試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射階段火箭爆炸產(chǎn)生的碎片對(duì)钚-238 RHU/RTG可能產(chǎn)生撞擊的試驗(yàn)）、再入熱試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射失敗，钚-238 RHU/RTG高速再入稠密大氣層的空氣動(dòng)力學(xué)高溫?zé)g試驗(yàn)）、高速撞擊試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射失敗，钚-238RHU/RTG再入大氣層在高溫高速狀態(tài)撞擊地面的試驗(yàn)）以及海水腐蝕試驗(yàn)（模擬火箭發(fā)射失敗，钚-238 RHU/RTG掉入深海同時(shí)經(jīng)受高外壓和海水腐蝕的試驗(yàn)）。

自1978年蘇聯(lián)COSMOS 954時(shí)間后，世界各國(guó)更加關(guān)注空間核動(dòng)力源的應(yīng)用安全。聯(lián)合國(guó)大會(huì)于1992年通過(guò)了《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則》，對(duì)有關(guān)國(guó)際權(quán)利、技術(shù)見(jiàn)解、利用責(zé)任和損失賠償?shù)葐?wèn)題做出規(guī)定；此外，2009年聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)與國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)制定的《外層空間核動(dòng)力源應(yīng)用的安全框架》為各國(guó)提供了相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南[30-31]。

2）功率密度是影響钚-238電源質(zhì)量、體積的關(guān)鍵參數(shù)

功率密度是評(píng)價(jià)钚-238電源性能的綜合性指標(biāo)，基于對(duì)钚-238電源結(jié)構(gòu)的分析，钚-238 RHU研制技術(shù)和溫差電轉(zhuǎn)換技術(shù)均影響钚-238電源的功率密度。

钚-238 RHU研制技術(shù)包括钚-238 RHU源芯芯塊的選擇、芯塊密度的確定、包殼結(jié)構(gòu)與材料的選取、透氦阻钚功能的實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面。其中，芯塊原料的材料類型和理化形式影響源芯的密度和尺寸，進(jìn)而影響RTG的功率密度；包殼材料類型決定RHU包殼的結(jié)構(gòu)及厚度，進(jìn)而影響RTG功率密度[32]。溫差電轉(zhuǎn)換技術(shù)包括溫差電材料技術(shù)、溫差電單體連接技術(shù)及模塊集成技術(shù)。

3）轉(zhuǎn)換效率是先進(jìn)钚-238電源研制的關(guān)鍵

作為放射性同位素電源研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，熱電換能器的轉(zhuǎn)換效率一直備受研究人員的關(guān)注[33-34]。轉(zhuǎn)換效率不但對(duì)電源的功率密度具有重要影響，還直接影響放射性同位素衰變熱的利用率，決定節(jié)省昂貴放射性同位素原料的用量；此外，高效熱電換能裝置在延長(zhǎng)RHU使用壽命方面也起著決定性作用。

熱電換能器的轉(zhuǎn)換效率主要是由熱電轉(zhuǎn)換材料的性質(zhì)決定的。按使用溫度劃分，熱電材料可分為低溫、中溫和高溫?zé)犭姴牧?。由于放射性同位素原料高昂的價(jià)格和供應(yīng)量的限制，自20世紀(jì)50—60年代開(kāi)始，美國(guó)一直致力于開(kāi)發(fā)高效熱電轉(zhuǎn)換材料。美國(guó)首先采用碲化鉛、碲化鍺TAGS等材料開(kāi)展RTG換能器的研制工作，轉(zhuǎn)換效率在4%左右。然而，由于碲基熱電材料在825 K時(shí)會(huì)產(chǎn)生升華現(xiàn)象，嚴(yán)重影響RTG的性能，因此隨后的MHW-RTG、GPHS-RTG均采用鍺硅（SiGe）材料熱電轉(zhuǎn)換模塊，其最高熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.6%。在最新的報(bào)道中，美國(guó)將采用方鈷礦熱電材料研制轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.5%以上的钚-238電源，并將該電源應(yīng)用于最新空間探測(cè)任務(wù)。

除高效熱電材料的開(kāi)發(fā)之外，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的溫差電單體連接技術(shù)、模塊集成技術(shù)以及高性能保溫材料在提高钚-238電源轉(zhuǎn)換效率方面起到重要作用。

4）可靠性是钚-238電源在惡劣條件下工作的保證

在深空探測(cè)任務(wù)中，钚-238電源要經(jīng)歷儲(chǔ)存、運(yùn)輸、發(fā)射、在軌、星表工作等多個(gè)階段，每個(gè)任務(wù)階段環(huán)境條件（光照條件、溫度條件、輻射條件等）不同，因此在電源裝置應(yīng)用之前，必須開(kāi)展環(huán)境與可靠性試驗(yàn)對(duì)其在各個(gè)階段環(huán)境條件下的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)電源的薄弱環(huán)節(jié)并采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)等措施來(lái)提高環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，以保障電源在全壽命周期內(nèi)能夠正常工作。美國(guó)钚-238電源所進(jìn)行的環(huán)境與可靠性試驗(yàn)包括：溫差電單體材料性能測(cè)試試驗(yàn)、溫差電模塊的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性、全模型溫差電組件工程單元飛行驗(yàn)收（Flight Acceptance）試驗(yàn)、電源工程單元（電模擬）整體研制試驗(yàn)、電源質(zhì)量鑒定件鑒定級(jí)試驗(yàn)及電源飛行件驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)[35-37]。

2.4.4 钚-238電源的應(yīng)用限制及發(fā)展建議

钚-238 RHU/RTG能夠在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間自持運(yùn)行，既可以用來(lái)發(fā)電又可以用來(lái)保溫，是深空探測(cè)任務(wù)必不可少的能源裝備。然而，由于其輸出電功率較?。ú淮笥?00 W），應(yīng)用于對(duì)電源功率需求較大的空間探測(cè)器時(shí)還有很大的局限性。此外，钚-238電源的研制生產(chǎn)又嚴(yán)重受限于钚-238原料。因此，為適應(yīng)未來(lái)更為深遠(yuǎn)的深空探測(cè)任務(wù)的需求，應(yīng)集中開(kāi)發(fā)以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：①大力發(fā)展钚-238原料生產(chǎn)能力，钚-238原料是钚-238電源研制、生產(chǎn)及應(yīng)用的前提和重要保障；②開(kāi)展大功率模塊化熱源研制技術(shù)，大功率模塊化熱源是研制钚-238電源的技術(shù)前提；③提高高性能熱電材料的研制能力，開(kāi)發(fā)高性能熱電材料是提高熱電轉(zhuǎn)換裝置同位素衰變熱利用率的一個(gè)有效途徑，是開(kāi)發(fā)高功率密度高可靠性钚-238電源的重要舉措；④開(kāi)發(fā)高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，除提高熱電材料性能外，開(kāi)發(fā)高效熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)也是提高同位素衰變熱利用率的重要發(fā)展方向，如美國(guó)以動(dòng)態(tài)斯特林轉(zhuǎn)換方式開(kāi)發(fā)的斯特林同位素電源（SRTG），可將同位素衰變熱利用率提高到25%以上。

2.5 空間堆電源

與钚-238電池相比，空間堆電源具有輸出電功率大、輸出功率可調(diào)的顯著特點(diǎn)，可應(yīng)用于電功率需求在千瓦級(jí)及以上的深空探測(cè)器。

2.5.1 空間堆的特點(diǎn)及分類

空間堆電源是指運(yùn)行于外層空間的核反應(yīng)堆電源，是將可控鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)產(chǎn)生的熱量通過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用來(lái)發(fā)電的裝置，具有能量密度高、不依賴太陽(yáng)、輸出功率可調(diào)范圍大且迅速、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效突破太陽(yáng)能電池50 kWe功率上限的瓶頸，特別適用于大功率、功率需求多變或者難以獲取太陽(yáng)能且環(huán)境條件惡劣的空間任務(wù)，是大功率需求深空探測(cè)器不可替代的電源系統(tǒng)[38]。

按照功率劃分可分為小型（千瓦）、中型（幾千瓦到幾十千瓦）、較大型（百千瓦級(jí)）和大型（兆瓦級(jí)）空間堆。按熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)劃分為靜態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換兩大類，其主要熱電轉(zhuǎn)換方式如圖3所示。

圖3 空間堆電源Fig.3 Classification of space power system

2.5.2 空間堆電源國(guó)外研究現(xiàn)狀

蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)最先認(rèn)識(shí)到空間核電源在軍事和深空探測(cè)領(lǐng)域具有不可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。與美國(guó)集中發(fā)展钚-238電源不同，蘇聯(lián)/俄羅斯在空間核電源方面的研究主要集中于空間堆電源，共成功研發(fā)4種型號(hào)，在軌運(yùn)行的2種典型空間堆電源分別為采用溫差電轉(zhuǎn)換的BUK型空間堆電源和采用熱離子轉(zhuǎn)換的TOPAZ-1型空間堆電源。截止到1989年，在其空間任務(wù)中共發(fā)射了35個(gè)空間堆電源（33個(gè)BUK型、2個(gè)TOPAZ-1型）。BUK型空間堆電源采用鈾鉬快堆，轉(zhuǎn)換方式為溫差電轉(zhuǎn)換，電功率約3 kW，最長(zhǎng)任務(wù)持續(xù)時(shí)間135 d；TOPAZ-1型采用堆內(nèi)多節(jié)熱離子轉(zhuǎn)換方式，電功率約7 kW，發(fā)射的2顆TOPAZ-1型空間堆電源工作時(shí)長(zhǎng)分別為142和342 d[39]。此外，蘇聯(lián)/俄羅斯對(duì)采用堆內(nèi)單節(jié)熱離子轉(zhuǎn)換方式的TOPAZ-2型空間堆電源進(jìn)行了研究，其設(shè)計(jì)電功率4.5～5.5 kW，設(shè)計(jì)壽命1.5～3年。根據(jù)俄羅斯2008年公布的《2020年前及以后俄羅斯聯(lián)邦在空間活動(dòng)領(lǐng)域政策的原則》，俄羅斯將開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%以上的新型熱離子轉(zhuǎn)換器，能為空間核動(dòng)力飛行器提供1MW的電能輸出[40]。此外，俄羅斯還進(jìn)行了兆瓦級(jí)氣體布雷頓循空間堆電源技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作，目前己完成了空間堆電源初步設(shè)計(jì)、燃料元件入堆考驗(yàn)等工作。

美國(guó)對(duì)空間堆的研究始于1954年美國(guó)空軍的“誘騙者”計(jì)劃，1965年4月3日發(fā)射了美國(guó)唯一一個(gè)發(fā)射的空間堆電源SNAP-10A，設(shè)計(jì)功率500 W，壽命1年，是人類發(fā)射的第一個(gè)空間堆電源系統(tǒng)[41]。由于熱離子反應(yīng)堆運(yùn)動(dòng)部件最少、功率范圍大、冗余性高，可填補(bǔ)數(shù)千瓦到兆瓦之間的功率空擋，因此美國(guó)在SNAP計(jì)劃的同時(shí)還開(kāi)展了熱離子反應(yīng)堆的研發(fā)[42]。SP-100計(jì)劃是在1983年戰(zhàn)略防御倡議計(jì)劃的背景下提出的，其顯著特點(diǎn)是熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)位于反應(yīng)堆的外部，可以根據(jù)具體用途和功率需求變換使用不同的熱電轉(zhuǎn)換方式[43]。為解決SP-100計(jì)劃概念選擇階段熱離子空間堆存在的技術(shù)問(wèn)題，20世紀(jì)90年代從俄羅斯購(gòu)買(mǎi)了TOPAZ-2型空間堆電源進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)出功率為40 kW，壽命為10年的SPACE-R空間堆電源[39]。為了促進(jìn)核推進(jìn)和空間堆技術(shù)的開(kāi)發(fā)，2002年美國(guó)公布了太空核能新計(jì)劃——“普羅米修斯”計(jì)劃，計(jì)劃研制一種利用氣冷快堆與直接布雷頓循環(huán)技術(shù)的空間堆電源，設(shè)計(jì)功率200 kW，壽命為15～20年，但由于技術(shù)復(fù)雜度過(guò)高于2006年被終止。2006年4月，美國(guó)啟動(dòng)預(yù)期成本較低的先進(jìn)星體表面裂變反應(yīng)堆電源系統(tǒng)（AFSPS）的開(kāi)發(fā)工作。由于美國(guó)Sunpower公司在先進(jìn)斯特林轉(zhuǎn)換裝置方面研究的突破，美國(guó)決定將斯特林轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于星體表面裂變反應(yīng)堆電源（FSP），重點(diǎn)研發(fā)型號(hào)為40 kW，應(yīng)用定位為月球或火星表面人類居住地[44]。此外，美國(guó)還積極開(kāi)發(fā)kW和10 kW級(jí)空間堆電源，以填補(bǔ)同位素電源（＜ 1 kW）與40 kW之間的功率空擋，該kW和10 kW級(jí)空間堆電源采用鈉熱管冷卻，斯特林熱電轉(zhuǎn)換方式，設(shè)計(jì)指標(biāo)分別為電功率1 kW，轉(zhuǎn)換效率28.57%，總質(zhì)量390 kg；電功率10 kW，轉(zhuǎn)換效率25%，系統(tǒng)質(zhì)量1 800 kg[45]。

2.5.3 影響空間堆應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

與RTG類似，空間堆電源主要包括反應(yīng)堆（能量來(lái)源）、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)及陰影屏蔽幾個(gè)部分。其中反應(yīng)堆部分主要包括燃料選型、堆芯冷卻技術(shù)以及反應(yīng)堆控制技術(shù)幾個(gè)方面。

1）反應(yīng)堆技術(shù)

空間堆是空間堆電源能源供應(yīng)的源頭，通過(guò)中子誘發(fā)持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放能量。不同于在地面上的應(yīng)用，應(yīng)用于空間探測(cè)任務(wù)的反應(yīng)堆在質(zhì)量、體積、輻射、輸出性能等方面均有一定的限制，因此必須對(duì)影響反應(yīng)堆技術(shù)的因素進(jìn)行考慮。由于快中子增殖反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱快堆）具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、堆芯溫度高有利于提高空間堆效率的特點(diǎn)，因此在美國(guó)公布的27個(gè)FSP中有22個(gè)選用快堆為空間堆堆型；應(yīng)用于空間堆的燃料主要有UN燃料和UO2燃料兩種，UN燃料鈾含量高、熱物理性能好，很適用于空間堆電源，但其加工難度較高；UO2燃料高溫性能好，制造工藝成熟，但其熱導(dǎo)率較差；反應(yīng)堆冷卻技術(shù)主要包括堿金屬熱管冷卻、液態(tài)金屬回路冷卻及氣體冷卻3種；反應(yīng)堆控制技術(shù)主要有控制鼓、控制鼓加安全棒、滑移反射層、滑移反射層加安全棒幾種[46]。

2）轉(zhuǎn)換技術(shù)

目前應(yīng)用于空間堆電源的轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有溫差電技術(shù)、熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)、布雷頓循環(huán)轉(zhuǎn)換技術(shù)以及斯特林轉(zhuǎn)換技術(shù)。

溫差電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟在BUK反應(yīng)堆電源已經(jīng)安全運(yùn)行3 000 h以上，具有工作范圍寬、適用性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)換效率較低（BUK反應(yīng)堆電源3%），目前研究人員多關(guān)注于其它高效轉(zhuǎn)換技術(shù)[46]。熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用金屬高溫下發(fā)射電子這一現(xiàn)象將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，是空間堆電源的重要技術(shù)路線之一，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比質(zhì)量小、無(wú)活動(dòng)部件、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)理論分析，熱離子轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%，實(shí)驗(yàn)室獲得的效率達(dá)到25%[47]。熱離子發(fā)電元件是熱離子反應(yīng)堆熱電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，決定著空間熱離子反應(yīng)堆電源的總體性能。熱離子發(fā)電元件可分為單節(jié)熱離子燃料元件、多節(jié)熱離子燃料元件、單通道多節(jié)熱離子燃料元件幾個(gè)類型。其中單通道多節(jié)TFE綜合了單節(jié)與多節(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的發(fā)電元件設(shè)計(jì)方案。布雷頓轉(zhuǎn)換技術(shù)是以氣體為工質(zhì)的熱力循環(huán)，與燃?xì)廨啓C(jī)原理類似，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%，地面技術(shù)較為成熟，但尺寸小、壽命長(zhǎng)、耐高溫且轉(zhuǎn)速高的布雷頓循環(huán)渦輪機(jī)研制較為困難[48]。斯特林轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用工質(zhì)加熱膨脹，帶動(dòng)線性交流發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換效率高（25%以上）的顯著特點(diǎn)，在深空探測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力[49]。

3）安全與可靠性技術(shù)

盡管空間堆電源在國(guó)家航空、航天技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域具有巨大的帶動(dòng)能力，但是如果發(fā)生事故可能給環(huán)境和人類帶來(lái)巨大危害，因此空間堆電源的安全性與可靠性備受研究人員和公眾關(guān)注，形成了相應(yīng)的國(guó)際規(guī)則[50]。

空間堆電源安全的主要目標(biāo)是保護(hù)地球生物圈內(nèi)的人與環(huán)境不受放射性物質(zhì)的危害。在空間堆的地面階段、發(fā)射準(zhǔn)備階段、發(fā)射部署階段及可能產(chǎn)生的廢棄處理情況下均要保證其安全性，實(shí)現(xiàn)方式包括軌道足夠高、軌道壽命足夠長(zhǎng)、到達(dá)軌道前正常狀態(tài)下不啟動(dòng)、發(fā)生事故或返回時(shí)不會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)等幾個(gè)方面[51]。

空間堆電源的可靠性是保障產(chǎn)品指標(biāo)的前提，是實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能重要保障。產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)從可靠性建模、可靠性預(yù)計(jì)、可靠性分配、故障分析幾個(gè)方面來(lái)考慮。產(chǎn)品的可靠性評(píng)價(jià)從可靠性試驗(yàn)、評(píng)價(jià)方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析幾個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)空間堆的可靠性。俄羅斯在空間堆電源可靠性評(píng)價(jià)中采用的評(píng)價(jià)方法包括無(wú)故障工作概率定量評(píng)價(jià)方法、隨機(jī)故障時(shí)無(wú)故障工作概率定量評(píng)價(jià)方法和基于試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析庫(kù)的故障發(fā)生頻率信息。

2.5.4 空間堆的應(yīng)用限制及發(fā)展建議

空間堆電源技術(shù)存在技術(shù)難度大、技術(shù)流程復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高等不足，在深空探測(cè)領(lǐng)域受到嚴(yán)重限制。然而，空間堆電源又是未來(lái)執(zhí)行大功率需求空間探測(cè)任務(wù)不可或缺的電源系統(tǒng)。因此，應(yīng)在加強(qiáng)空間堆電源以下幾個(gè)方面的研制工作：①先進(jìn)快堆設(shè)計(jì)優(yōu)化；②開(kāi)發(fā)高效轉(zhuǎn)換技術(shù)；③完善我國(guó)空間堆電源安全和可靠性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)技術(shù)。

2.6 空間探測(cè)先進(jìn)電源系統(tǒng)對(duì)比

從表1空間探測(cè)領(lǐng)域電源系統(tǒng)對(duì)比中可以看出，鋰離子蓄電池一般與太陽(yáng)能電源結(jié)合使用，可用于具有一定光照條件的空間探測(cè)；钚-238 RTG因具備性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、不受環(huán)境影響等因素，能執(zhí)行任務(wù)周期在10年以上的空間探測(cè)任務(wù)；針對(duì)大功率空間探測(cè)裝備，開(kāi)發(fā)空間堆電源系統(tǒng)是保證未來(lái)復(fù)雜任務(wù)深空探測(cè)順利進(jìn)行的有效途徑。

表1 空間探測(cè)領(lǐng)域電源系統(tǒng)對(duì)比Table 1 Comparison of advanced power source technology for deep space exploration

3 結(jié) 論

隨著各種高精尖航天技術(shù)和深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)將不斷加快向更遠(yuǎn)深空邁進(jìn)的步伐。由于鋰離子蓄電池受工作壽命的限制，在深空探測(cè)任務(wù)中應(yīng)與其它電源系統(tǒng)（太陽(yáng)能電源、钚-238電源）結(jié)合應(yīng)用；太陽(yáng)能電源系統(tǒng)已被應(yīng)用于多種深空探測(cè)任務(wù)中，但其在應(yīng)用中容易受到光照、輻射、塵埃（星球表面可能存在的）及溫度條件的制約，應(yīng)用范圍受限；空間堆電源具有輸出功率大且可快速調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)，是大功率需求的復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù)不可替代的電源系統(tǒng)；由于不受外界環(huán)境條件（光照、低溫、輻射等）的影響，钚-238電源被認(rèn)為是目前小功率無(wú)人深空探測(cè)的理想電源。因此，大力發(fā)展钚-238同位素電源技術(shù)和空間堆電源技術(shù)是我國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)有序進(jìn)行的重要保障，是推進(jìn)我國(guó)航天科技技術(shù)和天體資源利用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐，是提升我國(guó)在空間技術(shù)領(lǐng)域與創(chuàng)新技術(shù)版圖中話語(yǔ)權(quán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。