作者:李禾 来源:科技日报 发布时间:2021/9/7 20:14:09
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《空间科学与技术》:空间核裂变堆让深空任务不再遥远

 

科技日报记者 李禾

对未来将要开展的深空探测任务,如化学能、太阳能等传统燃料的能量是远远不足的,而空间堆正是解决长距离高功耗空间任务供能问题的关键。近日发表在期刊《空间科学与技术》(Space: Science & Technology)上的论文《裂变动力航天器在太阳系探测任务中的应用前景》(Application Prospect of Fission-Powered Spacecraft in Solar System Exploration Missions),描述了北京空间飞行器总体设计部夏彦团队、清华大学周钦团队深入考察裂变能的概念、优势和应用,由此说明空间堆在外层空间探索中的变革力量。

《空间科学与技术》是北京理工大学(BIT)中国空间技术研究院(CAST)和美国科学促进会(AAAS)/ Science共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊,采用开放获取(OPEN ACCESS,OA)平台出版,本刊是美国科学促进会(AAAS)自1880年创建Science期刊以来的第一本航天领域的伙伴期刊。本刊由工业和信息化部主管,美国科学促进会(AAAS)和北京理工大学出版社联合出版发行。

数千年来,宇宙的一切都激发着人类的好奇心。正是因此,科学研究得以不断突破,推动人们探索宇宙的奥妙。迄今为止,人类已经有了多次载人或无人深空探索的成功经验。纵观这些空间任务,尽管化学能和太阳能始终作为航天器的主要能量来源,但其本身的能量密度低——这限制了人类向着更远深空探索的需求。

核能能量密度极高,过去数十年,裂变能带来了全球能源供给的巨变。未来,裂变能也一定能够带领深空探索的能源革新。广泛应用于空间任务中的同位素电池受到生产能力和成本代价的限制,功率一般不足1kW(千瓦)。与之相比,空间堆可以实现1kW以上的功率。NASA进行了基于采用斯特林的反应堆设计(KRUSTY)与满功率测试,旨在使用空间堆解决1-10kW的功耗需求。

《空间科学与技术》上发表的综述文章汇总了核裂变反应堆在深空探索中的设计、实践和应用潜能。谈及空间堆之于深空探索的意义时,作者采用了有趣的比喻:“当前深空探测任务的电源最大功率不足一台一匹空调的用电水平;未来空间堆工程将首先实现一个家庭日常用电的功率水平,并进一步实现一个生产型工厂用电的功率水平。空间电源功率的数量级上升将彻底改写航天器的应用形式。”

作为21世纪首个成功完成演示实验的空间反应堆,KRUSTY激发了人们开发核能航天器的热情。空间堆具有优越的寿命和能量密度;这些特质表明空间堆提供的高功率可大幅提高深空探索类航天器的续航、机动、通信能力,拓展载荷丰富度,甚至改写科学任务规划形态。

借助空间堆,许多人们渴望已久的深空任务不再遥远:木星、土星及其各自的卫星,凯戎(凯龙)星,海王星轨道外侧的柯伊伯带,乃至太阳系边际,甚至飞出太阳系。除此之外,月球和火星的星表科学站、载人、原位资源利用任务也可能因此提上日程。即使脱离空间探索的层面来看,空间堆也能用以满足军事和民用方面对于能源的高需求。

总的来看,空间堆助力实现深空探索的更新换代。借助空间堆,航天探索有望触及太阳系更深远的区域,这是传统能源几乎无法达成的任务。作者还明确了裂变能航天器的未来发展方向:“未来5-10年,空间核裂变堆电源很有可能在时隔六十年之后再次登场,预测将首先应用于载人月球或火星星表制取氧气的演示验证项目。空间电源的能力提升使得人类对太阳系内星体从初级探测阶段向深度探索及初步应用阶段转变。”

 
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