空间电源技术发展趋势展望

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

关键字：空间电源；电动绳系；核裂变；核聚变；反物质

0 引言

空间电源技术是当前国际范围内的一大技术热点，但相关技术的不断完善依然会面临固有的挑战和困难[1]。除国际空间站外，最大的空间电能用户是位于地球同步轨道上的商业通信卫星。对于地球同步轨道通信卫星而言，发电功率增加亦意味着数量更多的通信转发器和更大的带宽。

本文重点研究了4种空间电源技术，分别为空间电动绳系技术、空间核裂变技术、空间核聚变技术和空间反物质技术。这四类技术的成熟度彼此存在差异。近年来，在国际领域上，电动绳系和核裂变反应堆技术的成熟度已逐渐达到可在空间领域应用的程度。同时，该两项技术已进行了诸多飞行测试，且核裂变技术已在重要的战略层面上得以应用。这两项技术面临的挑战是如何在成本、性能和风险上比太阳能电池阵列具备更广泛的优势。核裂变反应堆依然面临着如何提高安全性的问题。相比之下，核聚变和反物质推进技术还远未成熟，其在得以应用之前需要进一步加强研发投入。

1 空间电动绳系技术

电动绳系最初作为一种空间推进装置而得以发展，但其也可应用于空间电源领域。电动绳系是一个相对简单的设想，由一根从卫星中沿最低点或反最低点方向伸出的导电线组成，使其稳定于重力梯度方向。电动绳系通常采用导电胶带、电缆或编织结构，以增大可传导的电流值，或增强对卫星机体造成损伤的抵抗力。应将电动绳系与已被应用于空间实验的非导电绳系区分开来，尽管非导电绳系已在空间任务中得以应用，但其依然无法被应用于空间电源领域[2]。

电动绳系更适用于赤道低轨区域。该处的地磁场最强，且速度矢量与磁场方向最接近垂直[3]。在地球静止轨道上，磁场由于较弱，而阳光在一年中多数时候都很强。在该轨道上，相比于太阳能电池阵列，电动绳系可能是最具竞争力的空间电源。

在空间推进和空间电源两种应用中，电动绳系均需要设置返回路径，以使电流通过空间等离子体。为了能与空间等离子体发射电连接，绳系必须能够从端部发射和收集电子。在绳系充满正电的一端，电子收集可用一种相对简单的办法实现，即将绳系的一个区域暴露于空间等离子体中。在绳系的阴极，电子的发射方式仍需不断完善。原理上，与发射电子相对，可以扩展出较大的绳系区域，以收集空间等离子体中的离子，但该方法需要收集足够强的离子流。因此，阴极需要某种主动电子发射装置[4]。

可用于绳系的最成熟的电子发射技术使用空心阴极或等离子体接触器。空心阴极使氙气流通过LAB6管而产生电子，通过氙气的电弧使离子和LAB6材料发生碰撞，从而释放出电子。空心阴极技术也可用于离子推进器和大型静止轨道通信卫星的霍尔效应推进器的电子源。可是，该项较为成熟的电子发射选择，即空心阴极技术，在使用多年后即存在明显缺陷。空心阴极需要储存推进剂，以降低对绳系“减少推进剂推进”能力的要求，需要复杂的线路以用于点火和维持放电，通常还要求具备较大的质量和功率配给。场发射装置以及热离子发射装置都是降低推进剂数量的有效选择，但目前尚未证实其是否可在电动绳系的使用寿命内和电流水平下可靠工作。正在进行的研究致力于提高场发射和热离子发射装置的寿命和可靠性，以此会对绳系在轨道应用中的实用性产生较大的影响[5]。

绳系发出的电能必须有相应的能量来源，以满足能量守恒定律。绳系与行星磁场的洛伦兹力相互作用，会产生减小卫星轨道动能的电磁阻力。因此，绳系发电是以损失轨道高度为代价实现的。在评估绳系发电的收益时，必须从系统水平上考虑其可能带来提高发射能力的成本。

至今，对于地球轨道上的典型空间任务而言，以轨道高度为代价，用绳系发电通常是一类性价比较低的技术方式，原因主要有两点。（1）该空间内的相关影响因素必定会随时间发生变化，因为运载火箭和空间电源之间的成本均衡会随技术进步而发生变化。（2）绳系的这种允许轨道和电能之间的系统交换能力是独一无二的。可以预想，以绳系作为储能装置是一个更加有利的航天任务方向。储能可通过对绳系做功，以改善航行轨迹和提升轨道能量。之后，通过从绳系中放电和降低轨道高度可最新获得之前储存的能量。通过重复该循环，在任何轨道上，绳系都可以像卫星电池一样作为储能装置。

在地球轨道之外，绳系发电还具有潜在的、更好的空间应用价值。在木星附近，太阳辐射强度约为地球附近的1/27。在该处空间电源需要使用面积较大的太阳能电池阵列或放射性同位素热电发电机（RTGs）。目前，仍有一种办法可适用于卫星从转移轨道上向有磁场的目标行星转移的情况。在到达目标行星附近时，绳系展开并被用作制动推进器，以进入轨道，同时发出电能[6]。

电动绳系自身具有较大的升空前测试风险，同时由于绳系长度较大（百米到千米的量级），由此无法在真实模拟在轨低重力环境条件的地面测试中展开。除此以外，地面实验室无法复现空间等离子环境，发射前在陆地上的研究也不能对绳系的功能性进行端到端的电气测试。

由于无法通过地面设备进行高保真测试，世界各国被迫进行了大量空间试验，在这方面目前已在一项复杂技术的成熟化上取得了显著进展。相关飞行试验也表明，绳系在进入轨道时会出现较大振荡。这一点对于卫星的稳定性有显著影响，尤其是对于通信、导航及监视等对指向精度有较高要求的卫星。为找到抑制这种振荡的方法，已经开展了重大研究，但还未进行空间测试。

迄今为止，在空间电源领域，尤其是在太阳能电池阵列占统治地位的静止轨道通信卫星的空间应用上，电动绳系的技术竞争力依然不如太阳能电池阵列[7]。如果能不断在电子发射、动力学及部署风险问题上取得进展，电动绳系可能会成为地球轨道和其他行星轨道上的商业缺口。

2 空间核裂变电源技术

RTGs作为一种亚临界核裂变电源，是空间领域电能的一种重要来源，其为早期军事卫星和长期的空间任务提供可靠的电能供给。但由于RTGS电源功率有限[8]，需将其功率提升至千瓦等级的水平，用以满足空间监视和无线电定向和测距（RADAR）任务。苏联和美国均已发展了空间核裂变反应堆。尽管空间核裂变反应堆依然并未被部署在卫星上，但由于其固有的高功率以及在卫星进入日食区时提供不间断输出高功率的能力，其依然有着较高的研究价值。高功率空间电源在航天领域充满竞争力，同时由于太阳能电池的发电能力会随卫星远离太阳而逐渐衰减[9]，其在日食区和远离太阳时的发电能力，对于诸如RADAR和具有夜间数据采集能力要求的光电侦察等地球轨道任务而言，可谓更具吸引力。

反应堆通过核裂变反应过程从而输入和输出产生热能。输入指标是指燃料量和中子通量，燃料量在发射前批量装载燃料的情况下通常是固定的，而中子通量通过裂变反应过程中中子的调节、吸收和反射来实现控制。随着技术的不断发展，以此可通过调整核反应堆的结构单元来实现，比如控制棒和控制屏。裂变过程的输出指标则包括更多的中子、热能以及核裂变副产物。多数空间反应堆使用高纯度燃料，反应堆中裂变副产物的堆积在任务期内通常并不作为重大问题而进行处理。反应堆的温度可通过控制中子束流和冷却液而通过反应堆核心的流率来调节。由于无法将地面上应用的浮力效应运用于反应堆设计过程中，反应堆的空间应用明显依赖冷却液循环泵。在其他行星或月球上时，则可使用两相蒸气作为一种无需泵送的工作流体。在空间中，则可使用单相冷却剂，如液态金属，或使用惰性气体，如氦氙混合气。

使用空间核反应堆作为发电系统的关键是将输出的热能转化成有用的电能[10]。在热力学领域中，其意味着像高温储水池一样的反应堆必须与一个热机或热电直接转换装置相连。废热被送入低温库及卫星上配装的扩展散热板中。回溯历史，热电堆在空间核发电系统中曾占据主导地位[11]，尽管苏联在最后几次空间发射中使用了效率更高的热离子转换器，并持之以恒地研究热离子发电装置，以及实际热机（比如遵循布雷顿循环的燃气轮机和遵循斯特林循环的斯特林发动机），包括其他一些新型直接转换装置（例如热光伏电池），也对其开展了相关研究。

直接转换装置通常是基于一个热力循环来进行运作，其中应用了热力学第一和第二定律，即将反应堆输出的热能转变为有用的电能和废热，且通过第二定律描绘出效率和温度的关系。这些装置通常会使转换器及其附带的散热器的总质量得以最小化，但其代价是系统效率的降低。这种低效率为在较大系统中使用热机提供了必要的应用前景。

3 空间核聚变电源技术

为解决RTGs的一些负面效应并实现其高功率性能，未来有3种较为可行的方案。第一种方案通过解决热电转换装置（TECs）自身的低效率问题以提高RTGs装置的内在效率。先前通常采用的是热电转换单元，其具有4%～7%的转换效率。使用新材料或更好的单元电池设计会带来潜在的效率提高，可使效率提升至12%～14%，甚至在未来有望达到25%。这对于RTGs和使用热电、热光伏或热离子转换装置的反应堆都是较为可行的。虽然这种效率的提高减弱了寻找其他途径的需求，但应当注意到，该领域的主要工作对象是小型发电装置（发电量通常不到1 W），而且这些装置的测试寿命均短于一整年。因此，为减小研发风险，需充分考虑到热电、热光伏或热离子转换器及相关子系统。

第二种方案若要探求更多的功率提升方法，可从单位质量中获得更多能量或使用各种热机循环进行补充，以此更有效地将热能转化为电能。

第三种方案更高的能量/质量比则需通过核裂变反应堆实现，而非通过放射性衰变过程[12]。

NASA自19世纪70年代以来即已开展了相关研究，但对此仅进行过地面测试，从未开展过飞行试验。同样，可考虑的热源大多是放射性核素衰变单元，而并非反应堆。这由于超出太阳能电池在太阳附近的相对较小的负载功率要求，RTGs的高技术水平必须直面在从地球轨道转移之前从而所依赖的高功率核系统所隐含的一系列风险。由此使得遵循用于具有低效率热电转换器的高功率反应堆的设计先例的可能性不大，其原因有两点。第一点逻辑上，功率/质量比的提高对任何空间任务的执行都是较为关键的，同时需避免核组件进入地球大气而引发的一系列灾难性后果，这使得对任何核发电系统的效率的考虑成为减小风险的关键环节。第二点考虑的是以此可减小发射质量，使用热机时更有效的转换过程则要求更小的反应堆质量。

空间核裂变技术在早期曾得以成功应用，但其应用范围在后期却日渐式微。在技术和政治层面上由于存在双重障碍，亦使该领域的研究进展得以延缓。美国地面核工业的不断衰落、陆续发生的三里岛和切尔诺贝利的核事故，以及20世纪晚期过剩的能源生产力，逐渐减少了来自私人产业的技术投入。最终，太阳能电池阵列在空间电源领域上取得重大进展，并已成功应用于20 kW量级的卫星系统。

核技术应用于空间任务的项目通常仅进展到地面试验阶段，尽管其已在系统可靠性和效率上取得了显著突破，但这种暂时性的技术停滞依然将持续一段时间。

核聚变反应通常会产生10倍于核裂变反应的能量，因而对于制造高功率或更紧凑的发电系统充满吸引力。当前，用于约束聚变反应的地面设备需要较大的容器。由此可知，基于当前技术手段的空间应用的初步发展将达到更高的功率水平（兆瓦级或更大），该数值远超过地球轨道任务的需求[13]。因此，核聚变空间电源的主要吸引力是为行星际或深空任务的推进系统提供动力[14-15]。这些任务需要高功率的推进系统，以缩短航行时间。

聚变能是通过两个较轻原子融合为一个总质量略微减小的较重原子而产生的。损失的总质量以能量的形式实现聚变反应的关键技术在于约束。带正电的原子核必须克服库伦斥力接近，并保持紧密的接近状态且保持足够长的时间，以此促成聚变反应的进行[16]。当约束时间满足要求，且反应速率达到使产生的能量超出约束原子核所消耗能量的程度时，聚变反应即会超过盈亏平衡点并开始输出能量。

可考虑将几类反应用于聚变发电。最易于实现约束的是氘氚（D-T）反应，但该反应在空间应用上仍存在缺陷。反应产生的高能中子使周围的材料和结构发生损坏并产生放射性。相比于卫星的工作寿命，氚的12.32年的半衰期依然是一项问题。中子的动能必须被转化为可被卫星子系统使用的电能。为此，需要用热覆盖层包围聚变反应区，以将动能转化为热能，然后再使用核裂变反应堆部分所描述的技术进行热电转换。

被研究用于地面核聚变发电的两种最常见的约束方法为磁约束和惯性约束。磁约束法使用来自外部或强等离子流自身产生的磁场，使等离子体保持高温。从根本上讲，其为稳态反应。惯性约束法使用高功率脉冲激光器使一个小目标发生内爆，或使用脉冲电源通过磁作用使一根小型低温纤维发生内爆。惯性约束法会产生一系列小型爆炸，其本质上相当于微型核聚变武器。

使用现有约束方法的核聚变发电技术用于空间电源的系统工程的影响是令人震惊的。磁约束法将需要配置大型超导磁体（由此会带来热耗散问题），亦需要大量储存能以启动或重启反应，对等离子体进行辅助加热的潜在的复杂方法、燃料来源及可能的燃料生产辐射效应对卫星有效载荷和成员产生的影响[17]。惯性约束空间电源的影响同样显著。深度低温能力和高功率激光或粒子束是有效实现惯性约束聚变的先决条件。

但是，通常难以对空间聚变发电的系统工程影响进行客观评估，其主要是由于地面核聚变技术尚未达到商业化运营的成熟度。当前，得出“将来的地面核聚变发电将采用磁约束或惯性约束”的结论是不合理的。考虑到该系统的复杂性和规模，由此不断开拓出全新的技术领域，以此启动并容纳核反应，地面核聚变才会作为一种可行的电源实现商业化。当这些进展在地面上实现以后，空间电源用户必定会考虑将该技术过渡到空间轨道应用领域中。

核聚变发电的潜在应用也是必不可少的。现有的技术手段从根本上造就了吉瓦级的大型高功率系统。这种功率水平提升了星际载人飞行的实现可能性，尤其是在飞船着陆后且能在行星上进行发电的技术要求。因此，在空间推进系统的应用环境下考虑空间核聚变发电技术更为适宜。

4 空间反物质电源技术

反物质是已知材料中能量密度最高的。该发电方式类似空间聚变发电，其主要被研究用于支持星际或深空探测领域。正物质与反物质进行反应后的能量密度可达108MJ/g的量级。其能量密度约为常规化学反应的1010倍，裂变反应的1 000倍，以及聚变反应的100倍。

实现空间反物质电源所需的技术开发可谓重中之重。反物质产量较为有限，每年的产量仅在纳克量级，且其主要在相关粒子加速器，如在欧洲核子研究组织（CERN）和美国费米实验室中生产。生产反物质的成本极高，由此如作为地面电源，该项技术的意义并不大，因为制造反物质所消耗的电能远超该反应放出的能量。对于空间应用，这种低效率所引发的问题则有所降低。如果在地面上生产反物质，然后将其带入太空作为电源或推进能源，则其低效率的技术弊端可被相应减少的运载成本和较短的任务时间等因素所补偿。关于储存反物质燃料领域的研究，目前主要集中在潘宁陷阱领域。

与核聚变技术一样，建造适用于反物质生产、储存和使用的基础设施的成本是一项巨大的投资。为实现其空间应用，仍需开展国际性合作，以支持相关投资和研究，找到成本和复杂性都大幅降低的反物质生产方法。

5 结论及展望

当使用新技术所获得的收益和发展机会超过成本和风险时，空间技术水平亦得以不断推进。未来，空间核反应堆将会用于获得比太阳能电池阵列更高的功率。彼时的低效率太阳能电池将被用于开发更高功率的电池阵列，从而也会带来超出卫星姿态控制等方面的技术影响。类似的核裂变和反物质技术均会被将来的空间任务所推动。该类任务将要求在有限的质量范围内提高电源能量和推进功率的量级。

同样，电动绳系也可通过消耗轨道能量来实现发电。该项技术已通过多次空间试验而得以证实。总体而言，通过轨道能量而转换电能仍会存在一定的技术弊端。因此，电动绳系空间电源预计仅会在相关项目上偶有应用。同时，相关领域的先进技术将会不断促使先进空间电源系统的不断进步及日渐推广。