磁流体发电系统在空间电源中的应用研究

刘飞标 朱安文 唐玉华

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 探月与航天工程中心，北京 100037）

1 引言

随着深空探测任务的开展，电源成为其应该首要解决的问题。化学能电源适用于短时工作的航天器。太阳能电源在近地空间范围内具有明显的优势，但用于深空探测时的效率并不高，对于大型的深空探测任务，随着用电功率的增加，太阳电池板面积、质量快速增加，太阳电池阵的展开尺寸和构型将直接影响到航天器的尺寸和动力学特性，并且会增加航天器的总体规模，以及姿态控制、温度控制和结构机构的设计难度。使用太阳能的航天器电源系统，其质量功率比目前约为30kg／kW，理想情况下不低于5kg／kW［1］。在无人深空探测中，航天器上使用的电源一般为放射性同位素核电源。过去几十年中，美俄等主要航天国家发射的核电源达上百个，但提供的功率只有十几瓦到几百瓦，能量密度很低。而在未来的大型航天任务中，需要的电功率可能达到兆瓦级别，此时同位素电源将无法满足需求。核能磁流体（MHD）发电机在发电功率大于3 MW时，电源系统的质量功率比可小于2kg／kW，因此成为未来大型航天任务理想的电源方案［2］。

磁流体发电技术的基本工作原理是法拉第电磁感应定律。它使用导电流体代替固体导体，并使导电流体以一定速度通过与流动方向相互垂直的磁场，切割磁力线而产生电动势，从而产生电能［3］。磁流体发电时直接将热能转换为电能，没有旋转部件，是目前转换效率最高的发电形式。基于核能的磁流体发电机运行温度高，从反应堆中流出的冷却剂可以直接用作发电机的工质，并且在流进发电机前已经在反应堆中高温电离为等离子体［4］，通过回路将工质送回反应堆，从而实现工质的循环使用。由于采用核能，磁流体发电系统发电功率大，系统自身可以独立于太阳能工作，并且发电功率不受太阳距离的影响。此外，磁流体发电的工质滞温在反应堆出口处接近1800K，在实现工质电离的同时也能提高航天器的散热温度，进一步降低系统的质量功率比。

目前，空间核电源采用磁流体发电技术，成为国际上的前沿研究方向。文献［5］中研究了基于氦／氙（He／Xe）混合气体的磁流体发电机结合反应堆的空间应用；文献［6］中提出的空间磁流体发电方案采用法拉第型磁流体发电机；文献［7］中介绍了各种闭环磁流体发电系统。此外，NASA 的马歇尔航天飞行中心在磁流体发电机相关研究方面已取得了一定的成果；美国佛罗里达大学、印度石油能源大学等也在开展相关的研究工作。本文在调研上述研究成果的基础上，从空间磁流体发电系统应考虑的各个因素出发，综合对比分析了直线型和盘式磁流体发电机的优缺点，介绍了发电机工质和提高等离子体稳定性的方法，总结了空间磁流体发电系统和地面试验研究进展，提出了启示与发展建议。

2 磁流体发电机类型

2．1 直线型磁流体发电机

直线型磁流体发电机（见图1）是过去几十年地面磁流体发电研究的重点。在这种发电机中，高温的导电流体流过发电通道，会在垂直于流速方向和磁场方向产生横向的电场；通过放置在相对位置处的电极就可以输出电能。其导电流体的流通路径设计为直线型，典型的发电机流通截面为矩形，并且从入口到出口是逐渐扩张的。直线型磁流体发电机本身结构简单，原理清楚，效率和性能比较好。不过，它要使用鞍形超导磁体，而这种磁体制造工艺复杂。

图1 不同类型的直线型磁流体发电机Fig．1 Different types of linear MHD generators

根据利用霍尔电场形式的不同，直线型磁流体发电机可分为连续电极型、分段法拉第型、霍尔型和对角线型（斜联型）［3］。

（1）连续电极型磁流体发电机的优点是负载和结构简单，缺点是通道性能较差，因而不常采用。

（2）在直线型磁流体发电机中，轴向的霍尔电流造成发电机的电能损失。分段法拉第型磁流体发电机在连续电极型发电通道的基础上，将电极分成许多小段，在气流方向互相绝缘，完全靠法拉第电场输出电功率，以抑制霍尔电流。分段法拉第型磁流体发电机的原理清楚，效率较高，运行调节灵活，但实际使用时要配套许多负载。

（3）针对分段法拉第型磁流体发电机多负载的缺点，后来提出了串接发电机的概念，也就是霍尔型磁流体发电机。该发电机利用法拉第电场和霍尔电场合成的电场，把分段法拉第型磁流体发电机中上、下电位相同的电极互相串接起来，发电机负载则接于首末两端的电极上，这样就可以使用单一的负载或较少的负载，但其电极处存在比较严重的电流集中，会造成一定程度的电能损失。

（4）在霍尔型磁流体发电机之后，美国又提出了对角线型磁流体发电机，将发电机的电极和侧壁设计成一体。这种发电机结构简单，对干净燃料磁流体发电机的发展起到积极推动作用。

2．2 盘式磁流体发电机

盘式磁流体发电机的结构布局是为利用霍尔效应发电而设计的［8］。其中，工质沿径向流动，磁场沿轴向。在工质流动方向放置的一对电极将径向电流（霍尔电流）引出，周向的电流分量（法拉第电流）自身完全短路，与工质流动方向和磁场方向垂直，如图2所示。可见，盘式磁流体发电机完全依靠霍尔效应发电。

图2 盘式磁流体发电机Fig．2 Disk MHD generator

盘式磁流体发电机具有目前最高的发电效率纪录，与直线型磁流体发电机相比，具有以下优势：①相同距离下沿径向的电压要比直线型发电通道中的高，这样就提高了输出的总电能和单位体积输出的电能，发电机结构可以很紧凑；②使用简单的环形电极，电压压降小，均匀的等离子体可以持续在发电通道中旋转流动，而直线型涉及复杂的电极分段问题；③简洁紧凑的结构布局使得对应的磁体系统设计简单，磁场由一对放置于圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈提供，可以产生平行的磁力线，使用超导磁体时，磁体可以做得很小［8］，而直线型的要使用鞍形超导磁体，制造难度大。因此，在空间应用中，考虑发电系统整体结构、技术难度、闭环使用等因素，盘式磁流体发电机更具优势。以下主要介绍盘式磁流体发电机的研究情况。

3 盘式磁流体发电机工质的选择

空间磁流体发电环境不同于地面：①空间是微重力状态；②航天器由于成本和体积等制约因素，不能做得太大，质量应尽可能小，质量功率比越低越好；③发电系统应结构紧凑，发电功率大，能更好地支持航天任务的开展。

目前，在地面的闭环盘式磁流体发电机中，工质大多采用惰性气体氦气或氩气，添加的种子材料主要为碱金属铯。这是因为：惰性气体自身的电离电位很高，而碱金属的电离电位非常低，在惰性气体中只要添加极其少量的碱金属即可明显提高惰性气体的电导率。不过，碱金属具有极强的化学性质，会与发电机通道内壁发生反应，改变发电通道的流场特性，减少发电机寿命，降低发电机性能［9］。作为空间使用的电源，在保证输出功率的情况下，发电系统越简单越好，以提高航天器的可靠性。如果仅使用单一惰性气体工质或使用惰性气体来代替碱金属作为种子材料，既可以使种子材料注入设备变得简单，又可以除去涉及碱金属的设备，如混合、再生和控制设备，从而提高发电机的可靠性［9］。

在这种思路下，文献［10］中提出使用单一的惰性气体作为工质，也即“冻结惰性气体等离子体”（Frozen Inert Gas Plasma，FIP）。研究结果表明，在电子温度高于5000K 时，惰性气体离子的三体复合系数很低，惰性气体的电离度在整个发电机通道中几乎保持恒定。文献［11］中提出使用混合惰性气体（Mixed Inert Gas，MIG）作为工质，比起使用氦气的“冻结惰性气体等离子体”作为工质有如下优势：①在相同的电子温度下，工质具有更高的电子数量密度和电导率；②在相同的电子数量密度条件下，工质具有更低的电子温度；③用于预电离的能量更少。

选用惰性气体作为种子材料，工质和种子材料很容易混合均匀，并且容易控制其质量分数。然而，种子材料要么具有大的碰撞截面，要么具有大的非弹性损失因子［9］，这样才能保证电子温度比重粒子温度高很多，实现非平衡态电离；而且，种子材料还必须具有尽可能低的电离电位。从这些角度考虑，氙气是最合适的种子材料。

通过求解描述电子数量密度和电子温度之间关系的沙哈方程，可以发现在选用氙气作为种子材料时不同工质的性能差别［4，9］。图3描述的分别是氩气和氦气作为工质时，不同工况下电子温度与电子数量密度的关系。从图3（a）可以看出，在氩气中添加氙气并没有明显地提高电子数量密度。在图3（b）中，尽管在氦气中添加氙气的电离效果没有添加铯的效果好，但比起纯氦气来说，其电子数量密度还是要高出一两个数量级。由此可知，在选用氙气作为种子材料时，氦气非常适合用作工质；并且在惰性气体元素中，氦气具有最小的原子质量，在相同情况下比其他元素可以获得更高的流速。然而，由于氦气、氙气的电离电位非常接近，当入口处引入一定的扰流时，工质的稳定性就会遭到破坏，进而使发电机的性能急剧下降。

图3 氩气和氦气作为工质时的电子数量密度Fig．3 Electron number density for the case of Ar and He working gas

4 盘式磁流体发电机中提高等离子体稳定性的方法

盘式磁流体发电机完全基于霍尔效应发电，单位体积输出的电能主要取决于等离子体的电导率和霍尔参数［8］。等离子体通常情况下是不易稳定的，在发电通道中往往不均匀分布，从而降低盘式磁流体发电机的性能。目前，主要有以下几种提高等离子体稳定性的方法。

4．1 扩张型发电通道

扩张型发电通道如图4所示，在高度恒定的发电通道中，等离子体无法在其中保持稳定，改进的方法就是根据流体特性设计发电通道，即扩张型发电通道的概念。对扩张角的研究结果表明，扩张角在一定范围内时，焓提取率（输出电能与输入热能的比值）会随着该角度的增大而增大［12］。其原因在于：工质得到了充分的膨胀，将更多的热能转化为电能，但在不同工况下会存在某一最佳的扩张角，在设计盘式磁流体发电机时应重点考虑。

图4 扩张型发电通道Fig．4 Divergent generator channel

4．2 在发电通道入口处添加导流片

在盘式磁流体发电机中，工质由于受到洛伦兹力的影响，会出现除径向速度分量之外的周向速度分量［8］，而周向速度分量会直接减小霍尔电压。在发电通道入口处添加正的导流片（见图5），会明显提高霍尔电压，进而提高发电功率。

图5 添加导流片的盘式磁流体发电机示意Fig．5 Schematic diagram of disk MHD generator with swirl vanes

文献［13］中的试验结果表明：①在入口等离子体条件很差的情况下，导流片会抑制阳极附近出现负电位区域；②导流片可以提高等熵效率（实际情况下发电机中焓的改变量与理想等熵过程中焓的改变量的比值），原因在于导流片在减小洛伦兹力的同时提高了工质的霍尔参数。

4．3 波状外形发电通道

扩张型发电通道虽提高了发电机的性能，但其内部等离子体的速度和温度等值线的分布明显杂乱，因为通道中发生了边界层的分离。为了避免这一问题，可以将通道改进为波状外形，这样不仅能得到更为均匀的速度和温度等高线分布（见图6），还可以避免边界层的分离，在数值仿真中也得到了更高的焓提取率和等熵效率，即使在高焓提取率情况下也能获得高马赫数-低静压的等离子体［14-15］。

图6 某工况下波状外形发电通道内的工质马赫数及电子温度分布Fig．6 Mach number and electron temperature distributions in contoured channel under certain working condition

4．4 在发电通道入口处添加射频线圈

高度电离的等离子体在流经发电通道之前要经过一段轴向通道，其间等离子体的温度会有一定程度的下降。由于等离子体的电离度主要取决于温度，温度降低后，处于发电通道阳极处的等离子体已经变得不均匀，会严重影响发电机的性能。通过在发电机入口处添加射频线圈（见图7），通电后产生一定的无线电频率，可提高等离子体的电离度，使整个通道中的等离子体保持均匀，并将等离子体原来的大振幅、低频波动转变为小振幅、高频波动，避免发电机阳极附近出现负的电动势，而且，用于射频线圈的电能非常小，仅为输出电能的0．6%［16］。

图7 加入射频线圈的盘式磁流体发电机Fig．7 Disk MHD generator with RF coils

5 空间盘式磁流体发电系统及地面试验研究

从循环形式上分，使用核能的盘式磁流体发电系统有闭环和开环两种。文献［17］中研究了使用氢气作为工质的开环盘式磁流体发电系统。在该系统中，一方面，须要配备液氢和种子材料的存储、输送和注入设备，增加系统的复杂程度；另一方面，氢气直接排出，无法循环使用，系统的工作时间受到限制。在文献［1-2］中研究的高温气体闭环核能磁流体发电系统，采用氦气作为工质，氦气可直接用作反应堆的冷却剂，并可以循环使用。

5．1 高温气体闭环核能磁流体发电系统

5．1．1 工作原理

高温气体闭环核能磁流体发电系统（见图8）［1-2］主要包括核反应堆、磁流体发电机、热交换器、压缩机、热辐射器等。系统采用盘式磁流体发电机，氦／氙混合气体作为工质。氦／氙混合气体在反应堆中充当冷却剂，反应堆出口滞温约为1800K，混合气体流出反应堆时已实现部分电离。由于氦气的电离电位很高，在反应堆出口处无法获得足够的电导率，为此在发电机前面设置预电离装置，使混合气体的导电性达到发电要求。混合气体经过发电通道后仍携带大量的热能，这些热能一部分经过热辐射器排散到空间，另一部分经过多级压缩机送回热交换器。热交换器收集混合气体热能并将其送回核反应堆，这样就实现了对混合气体的循环使用。发电机输出的电能除了部分用于压缩机和预电离装置外，其余都可以提供给航天器使用。

图8 高温气体闭环核能磁流体发电系统工作原理Fig．8 Working principle of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

5．1．2 性能参数

文献［1-2］中从热力学循环分析、系统质量功率比分析等方面，对采用高温气体闭环核能磁流体发电系统的航天器进行了系统评估（见图9）。其结果如下：反应堆出口滞温约为1800K。反应堆自身输出能量约为5 MW，由于热交换器的使用，混合气体在流回反应堆时携带约8 MW 的能量，这样输入到磁流体发电机的能量为12．890 MW。发电机焓提取率为35%，等熵效率为80%。稳定运行时，发电机输出电能为4．513 MW，其中0．080 MW 用于预电离装置，1．670 MW 用于压缩机，最后可供航天器使用的电能高达2．760 MW，系统的发电效率可达55．2%。

图9 高温气体闭环核能磁流体发电系统性能参数Fig．9 Performance characteristics of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

对系统进行质量功率比分析后发现：当发电系统输出电能为1．000MW 时，质量功率比约为3kg／kW；输出电能达到2．000 MW 时，质量功率比为2～3kg／kW；输出电能大于3．000 MW 时，质量功率比小于2kg／kW。目前，盘式磁流体发电机还处于试验研究阶段，文献［2］中建议先使用模拟的非核热源进行原理性验证，可以选用较小规模的发电机，发电机输入热能为1．500 MW，入口滞温为1800K，滞压为0．200 MPa，磁通密度为3 T，工质流量为0．16kg／s，用于预电离装置的电能约为4．700kW。在上述给定条件下，设计的盘式磁流体发电机入口半径为5cm，出口半径为20cm，入口高度为1．5cm，出口高度为1．1cm，发电通道示意见图10。发电机的输出负载电压为2．905kV，负载电流为122．4A，输出电能为0．356MW，焓提取率约为23．7%。

图10 盘式磁流体发电机发电通道示意Fig．10 Schematic diagram of disk MHD generator channel

5．2 地面试验研究

在盘式磁流体发电机的地面试验中，试验设备主要有以下3种［18］。

（1）激波管试验设备（1970年至今），用于验证设备的焓提取率和等熵效率，研究非平衡态等离子体本身的特征。

（2）落压式设备（如Fuji-1，1981-1999年），主要用于验证焓提取率，发电持续时间约为1min。

（3）超音速闭环试验设备（见图11，2002年至今），发电运行时间可以持续10min、1h或1d。闭环试验设备不是为实现高的电能输出和焓提取率，而是为验证磁流体发电机长时间连续输出电能的可行性。

以激波管试验设备为例，它通常包括激波管、气体回收装置、发电机、超导磁体以及各种测试设备等（见图12［16］）。激波管是一个封闭的管，由高压（驱动）和低压（被驱动）两部分组成，中间用铝制薄膜隔开。当薄膜被瞬间移除，管道中就会有激波产生，使部分气体瞬间变为等离子体，由于工质流速非常快，激波管试验设备的工作时间在毫秒量级。

图11 超音速闭环试验设备Fig．11 Supersonic closed loop experimental facility

图12 激波管试验设备Fig．12 Shock-tube experimental facility

6 启示与建议

6．1 启示

（1）磁流体发电机能量密度大、运行温度高的特点，可以使航天器实现很低的质量功率比，具有很好的空间应用前景。可变比冲磁流体火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR）的发明人Chang Diáz，研究了高温气体闭环核能磁流体发电系统配合VASIMR 用于载人火星探测的可行性，认为在对轻量反应堆和磁流体发电技术进行多年研究的情况下，结合VASIMR 用于载人火星探测可以大大缩短到达火星的时间。与NASA 的火星参考设计任务-5．0（Design Reference Mission-5．0，DRM-5．0）中的飞行方案对比表明，在飞船初始质量、有效载荷、出发时间及火箭运载能力相同的情况下，高温气体闭环核能磁流体发电系统结合VASIMR的方案将总的飞行时间缩短到149d，比DRM-5．0中使用核热火箭的飞行方案减少了226d。若为无人飞行任务，核能磁流体发电系统结合VASIMR的系统，可比化学火箭或核热火箭运输质量更大的货物［19］。可见，磁流体发电技术具有明显的优势。

（2）盘式磁流体发电机已成为目前磁流体发电机的研究主流。在综合考虑应用背景、技术优势等因素的情况下，盘式磁流体发电机是空间大功率电源的最佳选择。氦／氙混合气体在热物性能等方面具有明显优势，是盘式磁流体发电机理想的工质。对盘式磁流体发电机进行研究时，要考虑的主要内容包括发电通道扩张角、入口导流片比、通道曲率、外接负载及电离度等。

（3）盘式磁流体发电机性能优越，但要实现空间应用还要突破众多关键技术。①等离子体稳定性技术，直接影响发电机的性能。②等离子体物理参数的测量技术，还处于起步阶段，测试仪器的灵敏度和准确度有待提高。③发电机发电通道的加工制作工艺，须深入研究。其中，精确构型尺寸是防止内表面边界层分离、影响等离子体稳定性的重要因素。

（4）高温气体闭环核能磁流体发电系统本身也面临以下技术难题。①核反应堆自身的小型化及长时间稳定运行；②空间核动力安全技术；③耐高温材料的研制；④高强磁场磁体及大功率配电体制。

6．2 发展建议

高温气体闭环核能磁流体发电系统可以支持太阳能应用困难、需要大功率供电和大功率电推进的航天任务，包括地球同步轨道微波成像、月球／火星基地和载人火星飞行等。而且，磁流体发电的相关技术可以应用于电推进、供配电、空间等离子探测等，同时可以促进耐高温材料技术、超导技术及制造工业技术的发展。我国的空间核电源研究工作刚刚起步，针对反应堆、材料、工艺等方面的发展现状，建议选择磁流体发电技术路线，推进盘式磁流体发电机研究，使我国在空间核动力技术领域实现快速发展。建议在全面开展理论和仿真研究的基础上，突破发电机设计的关键技术，完成发电原理性演示验证，解决工程化问题，开展核动力航天器的研究，最终实现空间核动力的工程应用。

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