胡宇鵬，王易君，王 澤，向延華，李 鑫，朱長春，胡文軍，胡紹全，唐 顯

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999; 2.中國原子能科學研究院 同位素研究所，北京 102413)

放射性同位素自發(fā)衰變輻射出的含能粒子在材料中沉積能量的一部分將會轉(zhuǎn)換為熱能，利用賽貝克效應可將該部分熱能轉(zhuǎn)換成電能，將其作為熱源或電源使用具有體積小、壽命長、不受環(huán)境影響、無需維護等特點。因此，放射性同位素熱源(RHU)和放射性同位素溫差電池(RTG)作為理想的空間能源廣泛應用于包括月球在內(nèi)的星球自動觀察、內(nèi)行星飛行和外行星探測，尤其是太陽能使用受限的深空探測任務[1-3]。美國自20世紀60年代以來已在29次空間任務中采用了RHU/RTG裝置，并在輸出功率、工作壽命等指標上不斷提升[4]。俄羅斯20世紀90年代以“火星-16”任務為起點，也開啟了空間RHU/RTG的研制進程[5]。

安全性一直是空間核動力裝置使用的優(yōu)先考慮因素，聯(lián)合國特別頒布了《關于在外層空間使用核動力源的原則》[6]以對空間核能安全利用做出規(guī)定。美俄在空間RHU/RTG研制過程中都制定了嚴格的安全條件測試項目，對相應的環(huán)境試驗技術進行了深入研究，開展了大量環(huán)境試驗以考核空間RHU/RTG的安全性[7-10]。

我國正在實施深空探測工程，為支撐空間RHU/RTG安全評估工作，亟需開展空間RHU/RTG安全性試驗技術研究[11-12]。目前，國內(nèi)針對模擬驗證空間RHU意外再入返回的高速撞擊試驗技術已有較系統(tǒng)的研究[13]。針對空間RTG/RHU運輸、發(fā)射等任務剖面可能遭受的火災事故場景，需開展火災環(huán)境模擬試驗以考核空間RHU/RTG火災事故場景的安全性，但目前相關研究較缺乏。我國關于空間RHU/RTG的安全性環(huán)境試驗技術的研究剛起步，由于技術封鎖，很難借鑒美俄相關成功案列開展相關試驗[14]。本文擬在詳述RHU火災事故地面模擬試驗技術的基礎上，對其中涉及的關鍵熱物理問題進行深入討論，圍繞空間RHU火災試驗開展數(shù)值仿真分析及試驗研究，為空間RHU異常環(huán)境安全性研究提供參考。

1 空間同位素熱源

1.1 熱源結(jié)構(gòu)

RTG能同時輸出電能和熱能，典型的RTG由RHU、熱電轉(zhuǎn)換器和輻射散熱器3部分組成，其中RHU是其核心部件，也是環(huán)境試驗重點考核部件。RHU具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括放射性同位素芯塊、結(jié)構(gòu)層、內(nèi)密封層、隔熱層及燒蝕層。其中，結(jié)構(gòu)層為芯塊的直接包覆層，在各類異常事故安全性試驗考核中，其是否破損或是否會引起放射性物質(zhì)泄漏為主要考核指標。

圖1 RHU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 RHU structure diagram

1.2 熱源狀態(tài)

空間用RHU必須兼顧安全性和比功率大、半衰期長等要求，238Pu因其半衰期長(T1/2≈87.7 a)、比功率高(約0.50 W/g)、熔點高(約2 240 ℃)等特點[15]，是目前最合適空間應用的同位素。放射性同位素芯塊的運行溫度常根據(jù)設計的發(fā)熱功率、源盒材料等具體指標確定。由熱力學分析可知，熱源運行溫度越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，但熱源運行溫度太高又會帶來放射性泄漏或源盒損害。當前，RHU的運行溫度最高不超過1 500 ℃。

238Pu屬高放射性物質(zhì)，為保證試驗的安全性，在試驗中往往采用結(jié)構(gòu)模擬件代替真實產(chǎn)品進行試驗。RHU火災事故環(huán)境安全性試驗的目的是考核試驗產(chǎn)品在經(jīng)受火災高溫環(huán)境下是否會發(fā)生泄漏，即主要考核RHU結(jié)構(gòu)層在火災高溫環(huán)境下的完整性。

2 空間同位素熱源火災事故模擬試驗設計

對于模擬樣品，其本身不會像真實產(chǎn)品因238Pu熱源而處于較高溫度狀態(tài)。在空間RHU火災環(huán)境模擬試驗前，需根據(jù)研制要求視情況考慮對結(jié)構(gòu)模擬件進行適當預熱，以使模擬樣品的結(jié)構(gòu)層具有與真實熱源結(jié)構(gòu)層相同的溫度，當結(jié)構(gòu)模擬件被加熱至目標溫度后，再進行火災環(huán)境模擬試驗。試驗熱加載裝置如圖2所示，采用電阻爐對RHU結(jié)構(gòu)模擬件進行預熱，預熱目標溫度根據(jù)不同型號空間RHU的發(fā)熱功率確定。試件達到預熱目標溫度并平衡后，需轉(zhuǎn)至油池火燒試驗裝置進行火災熱加載。為真實地模擬火災事故環(huán)境，采用池火方式對預熱后的試件進行火焰加熱?；馃到y(tǒng)由油池、油源、點火裝置等組成，且處于開闊地帶，周圍無遮攔物和可燃物。油池火焰屬于擴散火焰，需設計合適的油池大小以及試件與油面的相對高度，以確保試件外表面的被覆火焰厚度在1～3 m之間。

圖2 試驗熱加載裝置示意圖Fig.2 Test heat loading installation diagram

溫度測試系統(tǒng)包括火焰溫度測試和試件表面溫度測試。對于火焰溫度測試，采用K型熱電偶(絲徑不大于1 mm)對火焰場中的不同幾何分布位置特征點進行溫度測量。同時，采用紅外熱像儀對整個火焰場進行觀測。對于試件表面溫度測試，采用絲徑更小的K型熱電偶(0.4～0.8 mm)進行測量。熱電偶產(chǎn)生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

3 數(shù)值仿真分析

空間RHU火災事故環(huán)境模擬試驗屬首次開展的火燒安全性試驗，需在試驗前對試驗關鍵環(huán)節(jié)進行仿真預測，掌握關鍵階段模擬樣品的熱響應特性，對試驗關鍵環(huán)節(jié)進行把控，從而指導試驗的開展。RHU火災事故場景模擬試驗主要涉及兩個環(huán)節(jié)：1) 預熱環(huán)節(jié)，將模擬樣品預熱至目標溫度；2) 火燒環(huán)節(jié)，對模擬樣品進行火焰加載。其中，預熱環(huán)節(jié)根據(jù)研制階段需求決定是否需要進行。對試驗中模擬樣品的熱物理過程進行分析辨識，可知影響模擬樣品火災模擬試驗熱響應的關鍵環(huán)節(jié)有：1) 經(jīng)預熱后高溫模擬樣品向外輻射、空氣對流換熱冷卻以及內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的導熱；2) 火燒階段高溫火焰的熱輻射、煙氣的對流換熱以及內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的導熱。

其中，池火焰對模擬樣品的熱加載主要體現(xiàn)在高溫火焰的輻射和對流，在考慮火焰對模擬樣品的傳熱時作如下假設：1) 火焰具有等溫性，即火焰環(huán)境中的溫度分布相同；2) 火焰燃燒產(chǎn)生的煙氣視為灰體；3) 忽略火焰的散射作用。

傳入模擬樣品的熱量可表示為：

q=qrad+qconv

(1)

式中：q為傳入的總熱量，W；qrad為輻射傳熱量，W；qconv為對流傳熱量，W。

根據(jù)傳熱學，qrad和qconv可進一步表示為：

(2)

qconv=hfA(Tf-Ts)

(3)

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；A為傳熱面積，m2；F為視角系數(shù)，取值為1；εf為火焰輻射率；εs為試件外壁輻射率；Tf為火焰溫度，K；Ts為容器壁面溫度，K；hf為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

由此，傳入模擬樣品外壁的總熱量可表示為：

(4)

基于上述分析，建立空間RHU有限元模型，并開展空間RHU火災環(huán)境熱響應數(shù)值仿真。

3.1 預熱階段

空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件在熱加載后處于高溫，在轉(zhuǎn)入火燒場過程中因向環(huán)境輻射及空氣對流極易被冷卻至目標溫度以下，從而造成欠考核，需對預熱完成后的模擬樣品在轉(zhuǎn)運中的溫度變化情況進行討論。

預熱溫度為1 100 ℃、環(huán)境溫度為25 ℃、空氣對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)、輻射率為0.75時典型工況下模擬樣品放置于空氣中后不同時刻的溫度場分布示于圖3。模擬樣品置于空氣10 s時，燒蝕層溫度已有較大下降，特別是上下邊壁處。隨后，各層溫度進一步下降且趨于均勻。

圖3 RHU模擬樣品置于空氣中溫度場Fig.3 Temperature distribution of RHU simulated sample in air

與圖3對應的模擬樣品各層平均溫度隨時間的變化示于圖4。由圖4可知，模擬樣品的燒蝕層和隔熱層溫度隨時間的推移變化最明顯，且變化趨勢基本相同，樣品剛置于空氣中時，溫度下降速率較大，隨著時間的推移，溫度下降速率逐漸減緩，300 s時溫度降至478.7 ℃。相比之下，結(jié)構(gòu)層和內(nèi)密封層溫度基本一致，且在120 s內(nèi)幾乎沒有溫降，300 s時溫度也僅降至1 077.5 ℃，與目標預熱溫度相比下降2%，滿足工程允差要求。如轉(zhuǎn)移時間進一步延長，各層溫度繼續(xù)下降，但趨勢有所減緩，直至1 100 s以后溫度基本趨于平緩，結(jié)構(gòu)層溫度在910.5 ℃左右，燒蝕層已降至295.2 ℃左右。整個時間段內(nèi)，放射性同位素芯塊內(nèi)部幾乎沒有溫降，但邊界溫度已降至826.3 ℃，平均溫度仍在1 021.1 ℃左右。綜上，轉(zhuǎn)移時間宜在5 min以內(nèi)。

圖4 RHU模擬樣品轉(zhuǎn)移階段各層溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of each layer temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

空間RHU火災模擬試驗預熱階段需考慮RHU型號、試驗環(huán)境等的影響。型號因素可分解為預熱目標溫度、表面輻射率等(不同型號RHU工作溫度以及本質(zhì)設計不同)；試驗環(huán)境因素可分解為環(huán)境溫度、空氣對流換熱系數(shù)。在前述典型工況(預熱溫度1 100 ℃、環(huán)境溫度25 ℃、空氣對流換熱系數(shù)5 W/(m2·K)、輻射率0.75)基礎上，改變?nèi)我灰蛩兀瑢Ω饕蛩氐挠绊懸?guī)律系統(tǒng)研究，結(jié)果示于圖5。由圖5可知，預熱目標溫度越高，模擬樣品各層溫度在轉(zhuǎn)移過程中溫降越大；模擬樣品表面輻射率和空氣對流換熱系數(shù)主要影響燒蝕層溫度，對結(jié)構(gòu)層溫度有一定影響；環(huán)境溫度對各層溫度影響較小。比較各因素下預熱目標溫度與結(jié)構(gòu)層溫差情況可知，為防止轉(zhuǎn)移過程中的溫降，可使實際預熱溫度高于RHU運行溫度約20～30 ℃。

圖5 RHU模擬樣品轉(zhuǎn)移階段溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of temperature of RHU simulated sample in air during transfer stage

3.2 火燒階段

影響火燒試驗熱加載溫度的主要因素是燃料類型，地面運輸火災事故主要為烴類燃料燃燒，溫度一般在800～1 200 ℃，發(fā)射場火災事故主要為固體/液體推進劑燃燒，溫度可達2 000 ℃。綜合考慮空間RHU運輸任務剖面下的運輸工具燃料箱、運輸保障條件及發(fā)射場事故場景，確定火燒試驗時間為1 h。分別對處于火燒階段環(huán)境溫度模擬樣品和經(jīng)過預熱的模擬樣品進行數(shù)值仿真分析，結(jié)果示于圖6。對于初始溫度為環(huán)境溫度的RHU烴類燃料燃燒，在火燒剛開始階段，燒蝕層溫度迅速上升，60 s時最高溫度已升至450.3 ℃，325 s時升至876.3 ℃，隨著時間的推移，燒蝕層溫度基本穩(wěn)定，略低于火焰溫度，結(jié)構(gòu)層溫度則隨時間推移而增加。對于初始溫度1 100 ℃的RHU推進劑火燒，燒蝕層溫度上升速率更快，在10 s時最高溫度已達1 587.2 ℃。同樣地，各層溫度隨時間的推移較烴類燃料火燒情況上升更快。

a、b、c——初始溫度25 ℃，火焰溫度900 ℃；d、e、f——初始溫度1 100 ℃，火焰溫度2 000 ℃圖6 RHU模擬樣品火燒環(huán)境下的溫度場Fig.6 Temperature distribution of RHU simulated sample in fire

RHU模擬樣品相應各層平均溫度變化規(guī)律示于圖7。由圖7可知，兩類火燒試驗RHU燒蝕層溫度增長速率在火燒試驗初期較大，結(jié)構(gòu)層溫度上升速率相對較小，但發(fā)射場事故場景模擬環(huán)境試驗下的相應溫升速率較運輸事故場景模擬環(huán)境試驗的結(jié)果大。運輸事故場景下，放射性同位素芯塊經(jīng)歷1 h火燒后溫度幾乎沒有變化，而發(fā)射場事故場景下放射性同位素芯塊雖然內(nèi)部中心位置溫度變化不大，但靠近結(jié)構(gòu)層部分溫度已有較大提升，即平均溫度有一定提升，但仍處于安全范圍，說明RHU的熱防護設計在兩類火災事故場景下效果都較好。

圖7 RHU模擬樣品火燒環(huán)境的溫度變化規(guī)律Fig.7 Variation of temperature of RHU simulated sample in fire

4 火災模擬試驗

以上述仿真分析為理論參考，對某型空間RHU進行火災環(huán)境模擬試驗，燃料選用航空煤油，模擬樣品共2 枚?；鹧鏈囟葓鍪居趫D8，火焰呈現(xiàn)火羽流形態(tài)，火舌從燃油表面垂直上升并在上方出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由火焰卷吸誘導引入的空氣引起的。

圖8 火焰溫度場Fig.8 Temperature distribution of the fire

試驗測試的火焰場溫度信息示于圖9。圖9a為火焰場不同位置溫度的測試信息，以及平均溫度(Tave)隨時間的變化規(guī)律，T1測點位于距離油面0.8 m處，T2測點位于距離油面1.2 m處。點火后，火焰溫度在40 s內(nèi)迅速升至914 ℃，隨后火焰穩(wěn)定燃燒，測點溫度時均值基本在850 ℃以上。各測點溫度基本一致，表明火焰場溫度在時間與空間維度均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性分布。T1測點溫度(T1)高于T2測點溫度(T2)，說明在火焰高度適當范圍內(nèi)，隨著火焰高度的增加，火焰溫度呈下降趨勢。圖9b為火焰溫度頻域特征，油池火焰產(chǎn)生的火羽流具有不同的湍流頻率，主頻僅為0.001 19 Hz，這是由于沿浮力羽流外側(cè)卷起的大渦將空氣卷吸到羽流中，從而呈現(xiàn)周圍空氣被火焰整體吞沒的大尺度-低頻率擾動特征。

圖9 火焰場溫度信息Fig.9 Information of thermal field of fire

試驗件表面溫度測試結(jié)果示于圖10。由圖10可知，結(jié)構(gòu)模擬件表面溫度變化與火焰溫度基本一致。在火焰燃燒初始階段，當火焰達到較高溫度且趨于平衡時(890 s)，試件表面溫度約為700 ℃；隨后溫度繼續(xù)上升，基本穩(wěn)定在800～900 ℃，與數(shù)值仿真結(jié)果符合程度較好；當燃燒結(jié)束時(5 400 s)，試件表面溫度約為440 ℃，直至火焰熄滅30 min后(7 200 s)，試件表面溫度降至180 ℃。另外，兩枚試件不同測點溫度變化趨勢及各測點的差異大致相同，再次說明火焰場溫度均勻，對試件包覆性較好。

圖10 結(jié)構(gòu)模擬件表面溫度變化Fig.10 Temperature variation of RHU simulated sample surface in fire test

試驗后，對兩枚試件進行了檢測，整體結(jié)構(gòu)良好。綜上可知，試驗達到了空間RHU火災事故場景安全性考核的目的，同時也驗證了數(shù)值仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

針對空間同位素熱源火災事故環(huán)境模擬試驗技術開展了系統(tǒng)研究，提出了適用于空間RHU火災環(huán)境模擬試驗方法，對試驗關鍵環(huán)節(jié)空間RHU熱響應特征進行了仿真分析，并將其用于某型空間RHU火災環(huán)境模擬試驗，得到如下結(jié)論。

1) 空間RHU火災事故環(huán)境模擬試驗方法如下：(1) 采用加熱爐對空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件進行預熱，預熱溫度應較RHU運行溫度高約20～30 ℃；(2) 采用池火方式對試件進行火焰加載，需確保試件被火焰完全包覆；(3) 試驗中需對火焰場及試驗件表面進行溫度測試。

2) 采用所建立的空間RHU結(jié)構(gòu)模擬件導熱、對流、輻射耦合傳熱物理數(shù)學模型對試件預熱后轉(zhuǎn)移、火燒等關鍵階段試件傳熱特性的仿真結(jié)果表明，預熱目標溫度對試件熱響應特性影響較大，試件表面輻射率和空氣對流換熱系數(shù)主要影響燒蝕層溫度，轉(zhuǎn)移過程應在5 min以內(nèi)；火燒環(huán)境下，燒蝕層溫度上升速率較快，推進劑燃燒情況下各層溫升速率較烴類燃料火燒情況快，但放射性同位素芯塊處于安全溫度范圍。

3) 某型號空間同位素熱源火災環(huán)境模擬試驗結(jié)果顯示，火焰呈現(xiàn)火羽流形態(tài)，具有大尺度-低頻率擾動特征。試件熱響應特性基本與火焰溫度一致。燃燒結(jié)束時，試件表面溫度約為440 ℃，火焰熄滅30 min后，試件表面溫度降至180 ℃。試驗后的試件整體結(jié)構(gòu)良好。試驗結(jié)果與數(shù)值仿真較為符合。