【博評】William:中國航天 - 太空核動力的選項

2022-09-12 09:38:08 最後更新日期:2022-09-12 13:30:55
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

Coler 21美指(美術指導)真的可以害慘任何一種報道或宣傳,例如特朗普支持軍隊的廣告中混入了米格29,瞬間成為笑柄;把哈勃太空望遠鏡拿來亂改也不見得好,不如正正經經找張準確照片來宣傳好過。(圖片來自連結1)

早陣子中國空間科學院傳出開發太空中核動力推進系統,且初期樣機設計已獲得通過,意味中國航天亦加入核動力空間推進一途;另一方面,中國航天集團一院的院長王小軍在一個報告會上更指出「……未來的「地火轉移運載器」,也就是從地球附近太空飛向火星的飛船,則會採用核熱核電雙模式,以3部10噸級推力的核熱發動機作為主要動力,並利用核電裝置為各分系統提供電源。」

這當然也是值得報道的事,但也不能不說,以人類現有技術而言,核熱引擎可能也只是未來15-20年的計劃。不過香港一個基金會組織在報道時,雖然沒有過於誇張的報道,內容平實,但造圖版的美指對太空技術幾近沒有認識,把人家哈勃太空望遠鏡改圖成核動力太空船,甚至把鏡筒搞成引擎部位,實在令人哭笑不得。這和那些徵兵廣告卻亂將對手兵器「KEY」進去的「美指」,有什麼分別?

FbN 0S0VQAEObCG數年前一篇航天研報報告論文中提出的核動力三號級海王星探測器,似乎十分適合今次鋰冷兆瓦級空間反應堆作為主要動力,這種設計是在外行星探測器後方安裝一個反應堆艙及散熱 / 輻射屏閉裝置,兩者間用衍架結構連結起來。(圖片來自連結) 

當然,這都只是無關痛癢的小事。不過航天集團一院院長的報告和初步核動力推進系統設計獲通過,倒真的很巧合,當然,這不代表中國航天立即躍進至核動力大型飛船進入計劃啟動階段。

首先,若果相關文件為真,那應該是一種大型行星深測器用的反應堆(如數年前公開過的3噸級海王星核動力探測器設計),可以肯定這不是載人太空船。過去一些大型無人核動力星際探測器都有類似構想,總之是把輻射源隔得遠一點,再加上在兩者中間用一層阻隔輻的夾層,其他面向則沒有屏障,無疑是要減弱輻射對外行星探測器的持續影響,但因為機器抗輻射的能力始終比人強,離開比較遠一點及有適量屏障,因持續輻射可能令儀器故障的機會也大幅降低。這也合乎空間核反應堆的初步應用步驟—可先作為載人基地的供電裝置,也作為無人大型太空載具的引擎推力 / 全船電力來源。

RD0410典型的核熱火箭發動機。RD-0410基本結構,以及其花瓣狀的燃料通道,由於接觸面積增加,吸收熱能更有效率。氫燃料的預熱在反應堆頂部進行。西方的核動力引擎基本構造一樣,不過一直喜好用噴嘴壁作為氫燃料預熱的熱源。右兩圖為NERVA火箭的地面運行實驗及KIWI火箭的意外事故實驗。(圖片來自連結1連結2)

根據報告所說,這個探測器反應堆的最大特點可能是用上兆瓦(即百萬瓦)級的反應堆。比起60年代實用的美蘇兩國空間反應堆,熱功率也增加10-40倍。現時的小型2-8百萬瓦級別(MWt-熱功率)的反應堆,尺寸大約1米見方,使用高濃縮鈾作燃料以盡量壓縮體積及重量,最具代表性的例子是俄國的海神核動力魚雷 / 無人潛航載具,然而作為空間反應堆,不過作為核熱引擎用,卻明顯不夠,因為人類60年代以來研究過的核熱火箭,至少也有190-1700百萬瓦的功率,並以氫作為推進功質,比衝1000以上已是最基本要求;百萬瓦反應堆作為核熱火箭,輸出能量不足,難以氣化加熱大量液氫,似乎也難搞出很大的推力。

RD0410B之前已提過霍爾電推是一種離子推進氣,利用電產生電磁場並加速墮性氣體粒子(如氙或氪)推進劑噴出,比衝(噴射效率)達1600-8000秒,其推力及最終加速能力很視乎電力與推進劑有多少而定。由過去公開過的核動力行星探測器方案來看,反應堆至少要推四個大型電推。(圖片來自連結1及維基百科)

不過若作為發電用的反應堆,而且用上霍爾電推,就很適合作宇宙空間的長時間巡航用途了。霍爾電推主要利用電磁力加速重粒子作為功質,其初始推力會很小,但引擎可以持續加速非常長的時間(最長紀錄是.....5年!),比沖不但大增,且最終速度可以很高:現時這種引擎的實驗室最大功率僅100千瓦,而空間反應堆發電功率至少有6-20倍,不但引擎可以推進更長時間,也能推動更多功質(無論是少數更大型的電推或更多數量的中型電推),由於噴出功質的速度達50公里 / 秒甚至更高,功質用完後飛船可達30公里/秒以上也非無稽之談,而且這推力雖仍難以推動大型太空船,但探測器載重能大幅度上升可真不是問題呢。

 2022AAA蘇聯80年代開發的Topaz-1納冷熱中子反應堆。早期各國的空間核動力引擎架構其實都差不多,採用武器級高濃縮鈾作燃料,反應堆通常在最前部,只有一面是輻射屏蔽層。(圖片來自連結1連結2)

現時最大的問題是:字裏行間似乎仍未透露新反應堆的結構或詳細內容,只知道以鋰作為冷卻劑。過去美蘇兩國的空間反應堆基本也是液體金屬反應堆,當中美國SP-100鋰冷反應堆初始設計完成後就終止外,其他的都是使用鈉鉀合金或納。純鋰暴露空氣中會猛烈燃燒大家都知,但在太空中使用鋰,因為沒有氧氣讓其進行化學反應,所以也安全得多,而且鋰的導熱性更好,沸點比鈉高至少460度,意味堆芯溫度可更高,可以造得更小或功率更高。不過因為熱力更高,這個反應堆的冷卻系統使用更大型的輻射散熱裝置,比例上似乎比SNAP-10A反應堆的傘形散熱板更大。

RD0410CNASA開發中的Kilopower小型發電堆原型堆,結構更簡單,堆芯在最下方的圓筒內,正式型號會將堆芯直接插在地底。反應堆會接駁上方的數個筒狀斯特林發動機。此系統主要以金屬納作為傳熱劑並推動主機。正式型號上的鈦板為散熱片。不過這主要是月面基地發電用。(圖片來自連結1連結2)'

發電形式方面,過去美國主要採用熱-電轉換方式,利用散熱板的內外溫差溫發電,俄國系統則使用矽鍺合金半導體,以加熱的方式讓正極發放電子,再由負極吸收電子以產生電能,而現時也有透過溫差驅動斯特林主機發電的形式,發電效率同樣不太高,至2000年代雖已開始設計熱電比率更高的發電裝置,例如美國的SAFE-400(可達25%),但至今計劃仍停留在紙面上。

 20220827144040 5aa5e7577eb34e3ca6ab377e5f75d833 1左為鋰冷兆瓦級空間反應堆的地面樣機,看上去約三米見方,但裝上太空船時要縮小至約500公斤至1噸的水平。右圖為報告對於堆芯設計的示意圖,最頂端是堆芯的控制棒,然後是堆芯,之後至少見到兩個循環系統,但設計上也遵從一般空間反應堆的設計。(圖片來自連結1連結2)

至於中國這個空間反應堆的發電方法,文章中似乎沒有特別提起,但參考試驗用地面反應堆的設計,再搜尋文章中與發電有關的技術詞語,會發現「高效發電透平」一項,透平即是Turbine(渦輪)的中文譯音,若用在太空核能的話通常和氣體冷卻反應堆和閉式布雷頓循環發電系統有關,但本堆明顯是個金屬液冷反應堆,故有可能是透過熱交換器把冷卻劑中的熱能加熱墮性氣體再推動渦輪發電。這構想是最近十年才有幾位核能專家提出的(如上面提過的SAFE-400型)。若真如此,這反堆堆的熱電轉換效率會高很多,也能配合更大型的霍爾電推系統進行太陽系內的航行與探索。

無論如何,這反應堆的地面實驗堆已在廠房內運作,而初步樣機的設計亦獲通過,就看何時真正搞出可運用的樣機了。

發佈於 博評
By 2022-09-12

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