磁流體發(fā)電系統(tǒng)在空間電源中的應(yīng)用研究

劉飛標(biāo) 朱安文 唐玉華

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）（2 探月與航天工程中心，北京 100037）

1 引言

隨著深空探測任務(wù)的開展，電源成為其應(yīng)該首要解決的問題。化學(xué)能電源適用于短時(shí)工作的航天器。太陽能電源在近地空間范圍內(nèi)具有明顯的優(yōu)勢，但用于深空探測時(shí)的效率并不高，對于大型的深空探測任務(wù)，隨著用電功率的增加，太陽電池板面積、質(zhì)量快速增加，太陽電池陣的展開尺寸和構(gòu)型將直接影響到航天器的尺寸和動(dòng)力學(xué)特性，并且會(huì)增加航天器的總體規(guī)模，以及姿態(tài)控制、溫度控制和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。使用太陽能的航天器電源系統(tǒng)，其質(zhì)量功率比目前約為30kg／kW，理想情況下不低于5kg／kW［1］。在無人深空探測中，航天器上使用的電源一般為放射性同位素核電源。過去幾十年中，美俄等主要航天國家發(fā)射的核電源達(dá)上百個(gè)，但提供的功率只有十幾瓦到幾百瓦，能量密度很低。而在未來的大型航天任務(wù)中，需要的電功率可能達(dá)到兆瓦級別，此時(shí)同位素電源將無法滿足需求。核能磁流體（MHD）發(fā)電機(jī)在發(fā)電功率大于3 MW時(shí)，電源系統(tǒng)的質(zhì)量功率比可小于2kg／kW，因此成為未來大型航天任務(wù)理想的電源方案［2］。

磁流體發(fā)電技術(shù)的基本工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。它使用導(dǎo)電流體代替固體導(dǎo)體，并使導(dǎo)電流體以一定速度通過與流動(dòng)方向相互垂直的磁場，切割磁力線而產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生電能［3］。磁流體發(fā)電時(shí)直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，沒有旋轉(zhuǎn)部件，是目前轉(zhuǎn)換效率最高的發(fā)電形式。基于核能的磁流體發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度高，從反應(yīng)堆中流出的冷卻劑可以直接用作發(fā)電機(jī)的工質(zhì)，并且在流進(jìn)發(fā)電機(jī)前已經(jīng)在反應(yīng)堆中高溫電離為等離子體［4］，通過回路將工質(zhì)送回反應(yīng)堆，從而實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán)使用。由于采用核能，磁流體發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率大，系統(tǒng)自身可以獨(dú)立于太陽能工作，并且發(fā)電功率不受太陽距離的影響。此外，磁流體發(fā)電的工質(zhì)滯溫在反應(yīng)堆出口處接近1800K，在實(shí)現(xiàn)工質(zhì)電離的同時(shí)也能提高航天器的散熱溫度，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的質(zhì)量功率比。

目前，空間核電源采用磁流體發(fā)電技術(shù)，成為國際上的前沿研究方向。文獻(xiàn)［5］中研究了基于氦／氙（He／Xe）混合氣體的磁流體發(fā)電機(jī)結(jié)合反應(yīng)堆的空間應(yīng)用；文獻(xiàn)［6］中提出的空間磁流體發(fā)電方案采用法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)；文獻(xiàn)［7］中介紹了各種閉環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)。此外，NASA 的馬歇爾航天飛行中心在磁流體發(fā)電機(jī)相關(guān)研究方面已取得了一定的成果；美國佛羅里達(dá)大學(xué)、印度石油能源大學(xué)等也在開展相關(guān)的研究工作。本文在調(diào)研上述研究成果的基礎(chǔ)上，從空間磁流體發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)考慮的各個(gè)因素出發(fā)，綜合對比分析了直線型和盤式磁流體發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了發(fā)電機(jī)工質(zhì)和提高等離子體穩(wěn)定性的方法，總結(jié)了空間磁流體發(fā)電系統(tǒng)和地面試驗(yàn)研究進(jìn)展，提出了啟示與發(fā)展建議。

2 磁流體發(fā)電機(jī)類型

2．1 直線型磁流體發(fā)電機(jī)

直線型磁流體發(fā)電機(jī)（見圖1）是過去幾十年地面磁流體發(fā)電研究的重點(diǎn)。在這種發(fā)電機(jī)中，高溫的導(dǎo)電流體流過發(fā)電通道，會(huì)在垂直于流速方向和磁場方向產(chǎn)生橫向的電場；通過放置在相對位置處的電極就可以輸出電能。其導(dǎo)電流體的流通路徑設(shè)計(jì)為直線型，典型的發(fā)電機(jī)流通截面為矩形，并且從入口到出口是逐漸擴(kuò)張的。直線型磁流體發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡單，原理清楚，效率和性能比較好。不過，它要使用鞍形超導(dǎo)磁體，而這種磁體制造工藝復(fù)雜。

圖1 不同類型的直線型磁流體發(fā)電機(jī)Fig．1 Different types of linear MHD generators

根據(jù)利用霍爾電場形式的不同，直線型磁流體發(fā)電機(jī)可分為連續(xù)電極型、分段法拉第型、霍爾型和對角線型（斜聯(lián)型）［3］。

（1）連續(xù)電極型磁流體發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載和結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是通道性能較差，因而不常采用。

（2）在直線型磁流體發(fā)電機(jī)中，軸向的霍爾電流造成發(fā)電機(jī)的電能損失。分段法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)在連續(xù)電極型發(fā)電通道的基礎(chǔ)上，將電極分成許多小段，在氣流方向互相絕緣，完全靠法拉第電場輸出電功率，以抑制霍爾電流。分段法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)的原理清楚，效率較高，運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活，但實(shí)際使用時(shí)要配套許多負(fù)載。

（3）針對分段法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)多負(fù)載的缺點(diǎn)，后來提出了串接發(fā)電機(jī)的概念，也就是霍爾型磁流體發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)利用法拉第電場和霍爾電場合成的電場，把分段法拉第型磁流體發(fā)電機(jī)中上、下電位相同的電極互相串接起來，發(fā)電機(jī)負(fù)載則接于首末兩端的電極上，這樣就可以使用單一的負(fù)載或較少的負(fù)載，但其電極處存在比較嚴(yán)重的電流集中，會(huì)造成一定程度的電能損失。

（4）在霍爾型磁流體發(fā)電機(jī)之后，美國又提出了對角線型磁流體發(fā)電機(jī)，將發(fā)電機(jī)的電極和側(cè)壁設(shè)計(jì)成一體。這種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，對干凈燃料磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。

2．2 盤式磁流體發(fā)電機(jī)

盤式磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)布局是為利用霍爾效應(yīng)發(fā)電而設(shè)計(jì)的［8］。其中，工質(zhì)沿徑向流動(dòng)，磁場沿軸向。在工質(zhì)流動(dòng)方向放置的一對電極將徑向電流（霍爾電流）引出，周向的電流分量（法拉第電流）自身完全短路，與工質(zhì)流動(dòng)方向和磁場方向垂直，如圖2所示。可見，盤式磁流體發(fā)電機(jī)完全依靠霍爾效應(yīng)發(fā)電。

圖2 盤式磁流體發(fā)電機(jī)Fig．2 Disk MHD generator

盤式磁流體發(fā)電機(jī)具有目前最高的發(fā)電效率紀(jì)錄，與直線型磁流體發(fā)電機(jī)相比，具有以下優(yōu)勢：①相同距離下沿徑向的電壓要比直線型發(fā)電通道中的高，這樣就提高了輸出的總電能和單位體積輸出的電能，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可以很緊湊；②使用簡單的環(huán)形電極，電壓壓降小，均勻的等離子體可以持續(xù)在發(fā)電通道中旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，而直線型涉及復(fù)雜的電極分段問題；③簡潔緊湊的結(jié)構(gòu)布局使得對應(yīng)的磁體系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，磁場由一對放置于圓盤上下兩面的亥姆霍茲線圈提供，可以產(chǎn)生平行的磁力線，使用超導(dǎo)磁體時(shí)，磁體可以做得很?。?］，而直線型的要使用鞍形超導(dǎo)磁體，制造難度大。因此，在空間應(yīng)用中，考慮發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、技術(shù)難度、閉環(huán)使用等因素，盤式磁流體發(fā)電機(jī)更具優(yōu)勢。以下主要介紹盤式磁流體發(fā)電機(jī)的研究情況。

3 盤式磁流體發(fā)電機(jī)工質(zhì)的選擇

空間磁流體發(fā)電環(huán)境不同于地面：①空間是微重力狀態(tài)；②航天器由于成本和體積等制約因素，不能做得太大，質(zhì)量應(yīng)盡可能小，質(zhì)量功率比越低越好；③發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)電功率大，能更好地支持航天任務(wù)的開展。

目前，在地面的閉環(huán)盤式磁流體發(fā)電機(jī)中，工質(zhì)大多采用惰性氣體氦氣或氬氣，添加的種子材料主要為堿金屬銫。這是因?yàn)椋憾栊詺怏w自身的電離電位很高，而堿金屬的電離電位非常低，在惰性氣體中只要添加極其少量的堿金屬即可明顯提高惰性氣體的電導(dǎo)率。不過，堿金屬具有極強(qiáng)的化學(xué)性質(zhì)，會(huì)與發(fā)電機(jī)通道內(nèi)壁發(fā)生反應(yīng)，改變發(fā)電通道的流場特性，減少發(fā)電機(jī)壽命，降低發(fā)電機(jī)性能［9］。作為空間使用的電源，在保證輸出功率的情況下，發(fā)電系統(tǒng)越簡單越好，以提高航天器的可靠性。如果僅使用單一惰性氣體工質(zhì)或使用惰性氣體來代替堿金屬作為種子材料，既可以使種子材料注入設(shè)備變得簡單，又可以除去涉及堿金屬的設(shè)備，如混合、再生和控制設(shè)備，從而提高發(fā)電機(jī)的可靠性［9］。

在這種思路下，文獻(xiàn)［10］中提出使用單一的惰性氣體作為工質(zhì)，也即“凍結(jié)惰性氣體等離子體”（Frozen Inert Gas Plasma，F(xiàn)IP）。研究結(jié)果表明，在電子溫度高于5000K 時(shí)，惰性氣體離子的三體復(fù)合系數(shù)很低，惰性氣體的電離度在整個(gè)發(fā)電機(jī)通道中幾乎保持恒定。文獻(xiàn)［11］中提出使用混合惰性氣體（Mixed Inert Gas，MIG）作為工質(zhì)，比起使用氦氣的“凍結(jié)惰性氣體等離子體”作為工質(zhì)有如下優(yōu)勢：①在相同的電子溫度下，工質(zhì)具有更高的電子數(shù)量密度和電導(dǎo)率；②在相同的電子數(shù)量密度條件下，工質(zhì)具有更低的電子溫度；③用于預(yù)電離的能量更少。

選用惰性氣體作為種子材料，工質(zhì)和種子材料很容易混合均勻，并且容易控制其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。然而，種子材料要么具有大的碰撞截面，要么具有大的非彈性損失因子［9］，這樣才能保證電子溫度比重粒子溫度高很多，實(shí)現(xiàn)非平衡態(tài)電離；而且，種子材料還必須具有盡可能低的電離電位。從這些角度考慮，氙氣是最合適的種子材料。

通過求解描述電子數(shù)量密度和電子溫度之間關(guān)系的沙哈方程，可以發(fā)現(xiàn)在選用氙氣作為種子材料時(shí)不同工質(zhì)的性能差別［4，9］。圖3描述的分別是氬氣和氦氣作為工質(zhì)時(shí)，不同工況下電子溫度與電子數(shù)量密度的關(guān)系。從圖3（a）可以看出，在氬氣中添加氙氣并沒有明顯地提高電子數(shù)量密度。在圖3（b）中，盡管在氦氣中添加氙氣的電離效果沒有添加銫的效果好，但比起純氦氣來說，其電子數(shù)量密度還是要高出一兩個(gè)數(shù)量級。由此可知，在選用氙氣作為種子材料時(shí)，氦氣非常適合用作工質(zhì)；并且在惰性氣體元素中，氦氣具有最小的原子質(zhì)量，在相同情況下比其他元素可以獲得更高的流速。然而，由于氦氣、氙氣的電離電位非常接近，當(dāng)入口處引入一定的擾流時(shí)，工質(zhì)的穩(wěn)定性就會(huì)遭到破壞，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)的性能急劇下降。

圖3 氬氣和氦氣作為工質(zhì)時(shí)的電子數(shù)量密度Fig．3 Electron number density for the case of Ar and He working gas

4 盤式磁流體發(fā)電機(jī)中提高等離子體穩(wěn)定性的方法

盤式磁流體發(fā)電機(jī)完全基于霍爾效應(yīng)發(fā)電，單位體積輸出的電能主要取決于等離子體的電導(dǎo)率和霍爾參數(shù)［8］。等離子體通常情況下是不易穩(wěn)定的，在發(fā)電通道中往往不均勻分布，從而降低盤式磁流體發(fā)電機(jī)的性能。目前，主要有以下幾種提高等離子體穩(wěn)定性的方法。

4．1 擴(kuò)張型發(fā)電通道

擴(kuò)張型發(fā)電通道如圖4所示，在高度恒定的發(fā)電通道中，等離子體無法在其中保持穩(wěn)定，改進(jìn)的方法就是根據(jù)流體特性設(shè)計(jì)發(fā)電通道，即擴(kuò)張型發(fā)電通道的概念。對擴(kuò)張角的研究結(jié)果表明，擴(kuò)張角在一定范圍內(nèi)時(shí)，焓提取率（輸出電能與輸入熱能的比值）會(huì)隨著該角度的增大而增大［12］。其原因在于：工質(zhì)得到了充分的膨脹，將更多的熱能轉(zhuǎn)化為電能，但在不同工況下會(huì)存在某一最佳的擴(kuò)張角，在設(shè)計(jì)盤式磁流體發(fā)電機(jī)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

圖4 擴(kuò)張型發(fā)電通道Fig．4 Divergent generator channel

4．2 在發(fā)電通道入口處添加導(dǎo)流片

在盤式磁流體發(fā)電機(jī)中，工質(zhì)由于受到洛倫茲力的影響，會(huì)出現(xiàn)除徑向速度分量之外的周向速度分量［8］，而周向速度分量會(huì)直接減小霍爾電壓。在發(fā)電通道入口處添加正的導(dǎo)流片（見圖5），會(huì)明顯提高霍爾電壓，進(jìn)而提高發(fā)電功率。

圖5 添加導(dǎo)流片的盤式磁流體發(fā)電機(jī)示意Fig．5 Schematic diagram of disk MHD generator with swirl vanes

文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)結(jié)果表明：①在入口等離子體條件很差的情況下，導(dǎo)流片會(huì)抑制陽極附近出現(xiàn)負(fù)電位區(qū)域；②導(dǎo)流片可以提高等熵效率（實(shí)際情況下發(fā)電機(jī)中焓的改變量與理想等熵過程中焓的改變量的比值），原因在于導(dǎo)流片在減小洛倫茲力的同時(shí)提高了工質(zhì)的霍爾參數(shù)。

4．3 波狀外形發(fā)電通道

擴(kuò)張型發(fā)電通道雖提高了發(fā)電機(jī)的性能，但其內(nèi)部等離子體的速度和溫度等值線的分布明顯雜亂，因?yàn)橥ǖ乐邪l(fā)生了邊界層的分離。為了避免這一問題，可以將通道改進(jìn)為波狀外形，這樣不僅能得到更為均勻的速度和溫度等高線分布（見圖6），還可以避免邊界層的分離，在數(shù)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況下也能獲得高馬赫數(shù)-低靜壓的等離子體［14-15］。

圖6 某工況下波狀外形發(fā)電通道內(nèi)的工質(zhì)馬赫數(shù)及電子溫度分布Fig．6 Mach number and electron temperature distributions in contoured channel under certain working condition

4．4 在發(fā)電通道入口處添加射頻線圈

高度電離的等離子體在流經(jīng)發(fā)電通道之前要經(jīng)過一段軸向通道，其間等離子體的溫度會(huì)有一定程度的下降。由于等離子體的電離度主要取決于溫度，溫度降低后，處于發(fā)電通道陽極處的等離子體已經(jīng)變得不均勻，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的性能。通過在發(fā)電機(jī)入口處添加射頻線圈（見圖7），通電后產(chǎn)生一定的無線電頻率，可提高等離子體的電離度，使整個(gè)通道中的等離子體保持均勻，并將等離子體原來的大振幅、低頻波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾≌穹?、高頻波動(dòng)，避免發(fā)電機(jī)陽極附近出現(xiàn)負(fù)的電動(dòng)勢，而且，用于射頻線圈的電能非常小，僅為輸出電能的0．6%［16］。

圖7 加入射頻線圈的盤式磁流體發(fā)電機(jī)Fig．7 Disk MHD generator with RF coils

5 空間盤式磁流體發(fā)電系統(tǒng)及地面試驗(yàn)研究

從循環(huán)形式上分，使用核能的盤式磁流體發(fā)電系統(tǒng)有閉環(huán)和開環(huán)兩種。文獻(xiàn)［17］中研究了使用氫氣作為工質(zhì)的開環(huán)盤式磁流體發(fā)電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一方面，須要配備液氫和種子材料的存儲(chǔ)、輸送和注入設(shè)備，增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度；另一方面，氫氣直接排出，無法循環(huán)使用，系統(tǒng)的工作時(shí)間受到限制。在文獻(xiàn)［1-2］中研究的高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)，采用氦氣作為工質(zhì)，氦氣可直接用作反應(yīng)堆的冷卻劑，并可以循環(huán)使用。

5．1 高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)

5．1．1 工作原理

高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)（見圖8）［1-2］主要包括核反應(yīng)堆、磁流體發(fā)電機(jī)、熱交換器、壓縮機(jī)、熱輻射器等。系統(tǒng)采用盤式磁流體發(fā)電機(jī)，氦／氙混合氣體作為工質(zhì)。氦／氙混合氣體在反應(yīng)堆中充當(dāng)冷卻劑，反應(yīng)堆出口滯溫約為1800K，混合氣體流出反應(yīng)堆時(shí)已實(shí)現(xiàn)部分電離。由于氦氣的電離電位很高，在反應(yīng)堆出口處無法獲得足夠的電導(dǎo)率，為此在發(fā)電機(jī)前面設(shè)置預(yù)電離裝置，使混合氣體的導(dǎo)電性達(dá)到發(fā)電要求?；旌蠚怏w經(jīng)過發(fā)電通道后仍攜帶大量的熱能，這些熱能一部分經(jīng)過熱輻射器排散到空間，另一部分經(jīng)過多級壓縮機(jī)送回?zé)峤粨Q器。熱交換器收集混合氣體熱能并將其送回核反應(yīng)堆，這樣就實(shí)現(xiàn)了對混合氣體的循環(huán)使用。發(fā)電機(jī)輸出的電能除了部分用于壓縮機(jī)和預(yù)電離裝置外，其余都可以提供給航天器使用。

圖8 高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)工作原理Fig．8 Working principle of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

5．1．2 性能參數(shù)

文獻(xiàn)［1-2］中從熱力學(xué)循環(huán)分析、系統(tǒng)質(zhì)量功率比分析等方面，對采用高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)的航天器進(jìn)行了系統(tǒng)評估（見圖9）。其結(jié)果如下：反應(yīng)堆出口滯溫約為1800K。反應(yīng)堆自身輸出能量約為5 MW，由于熱交換器的使用，混合氣體在流回反應(yīng)堆時(shí)攜帶約8 MW 的能量，這樣輸入到磁流體發(fā)電機(jī)的能量為12．890 MW。發(fā)電機(jī)焓提取率為35%，等熵效率為80%。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電能為4．513 MW，其中0．080 MW 用于預(yù)電離裝置，1．670 MW 用于壓縮機(jī)，最后可供航天器使用的電能高達(dá)2．760 MW，系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)55．2%。

圖9 高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)性能參數(shù)Fig．9 Performance characteristics of high temperature gas nuclear CCMHD power generation system

對系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量功率比分析后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)輸出電能為1．000MW 時(shí)，質(zhì)量功率比約為3kg／kW；輸出電能達(dá)到2．000 MW 時(shí)，質(zhì)量功率比為2～3kg／kW；輸出電能大于3．000 MW 時(shí)，質(zhì)量功率比小于2kg／kW。目前，盤式磁流體發(fā)電機(jī)還處于試驗(yàn)研究階段，文獻(xiàn)［2］中建議先使用模擬的非核熱源進(jìn)行原理性驗(yàn)證，可以選用較小規(guī)模的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸入熱能為1．500 MW，入口滯溫為1800K，滯壓為0．200 MPa，磁通密度為3 T，工質(zhì)流量為0．16kg／s，用于預(yù)電離裝置的電能約為4．700kW。在上述給定條件下，設(shè)計(jì)的盤式磁流體發(fā)電機(jī)入口半徑為5cm，出口半徑為20cm，入口高度為1．5cm，出口高度為1．1cm，發(fā)電通道示意見圖10。發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電壓為2．905kV，負(fù)載電流為122．4A，輸出電能為0．356MW，焓提取率約為23．7%。

圖10 盤式磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電通道示意Fig．10 Schematic diagram of disk MHD generator channel

5．2 地面試驗(yàn)研究

在盤式磁流體發(fā)電機(jī)的地面試驗(yàn)中，試驗(yàn)設(shè)備主要有以下3種［18］。

（1）激波管試驗(yàn)設(shè)備（1970年至今），用于驗(yàn)證設(shè)備的焓提取率和等熵效率，研究非平衡態(tài)等離子體本身的特征。

（2）落壓式設(shè)備（如Fuji-1，1981-1999年），主要用于驗(yàn)證焓提取率，發(fā)電持續(xù)時(shí)間約為1min。

（3）超音速閉環(huán)試驗(yàn)設(shè)備（見圖11，2002年至今），發(fā)電運(yùn)行時(shí)間可以持續(xù)10min、1h或1d。閉環(huán)試驗(yàn)設(shè)備不是為實(shí)現(xiàn)高的電能輸出和焓提取率，而是為驗(yàn)證磁流體發(fā)電機(jī)長時(shí)間連續(xù)輸出電能的可行性。

以激波管試驗(yàn)設(shè)備為例，它通常包括激波管、氣體回收裝置、發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)磁體以及各種測試設(shè)備等（見圖12［16］）。激波管是一個(gè)封閉的管，由高壓（驅(qū)動(dòng)）和低壓（被驅(qū)動(dòng)）兩部分組成，中間用鋁制薄膜隔開。當(dāng)薄膜被瞬間移除，管道中就會(huì)有激波產(chǎn)生，使部分氣體瞬間變?yōu)榈入x子體，由于工質(zhì)流速非?？欤げü茉囼?yàn)設(shè)備的工作時(shí)間在毫秒量級。

圖11 超音速閉環(huán)試驗(yàn)設(shè)備Fig．11 Supersonic closed loop experimental facility

圖12 激波管試驗(yàn)設(shè)備Fig．12 Shock-tube experimental facility

6 啟示與建議

6．1 啟示

（1）磁流體發(fā)電機(jī)能量密度大、運(yùn)行溫度高的特點(diǎn)，可以使航天器實(shí)現(xiàn)很低的質(zhì)量功率比，具有很好的空間應(yīng)用前景?？勺儽葲_磁流體火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR）的發(fā)明人Chang Diáz，研究了高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)配合VASIMR 用于載人火星探測的可行性，認(rèn)為在對輕量反應(yīng)堆和磁流體發(fā)電技術(shù)進(jìn)行多年研究的情況下，結(jié)合VASIMR 用于載人火星探測可以大大縮短到達(dá)火星的時(shí)間。與NASA 的火星參考設(shè)計(jì)任務(wù)-5．0（Design Reference Mission-5．0，DRM-5．0）中的飛行方案對比表明，在飛船初始質(zhì)量、有效載荷、出發(fā)時(shí)間及火箭運(yùn)載能力相同的情況下，高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合VASIMR的方案將總的飛行時(shí)間縮短到149d，比DRM-5．0中使用核熱火箭的飛行方案減少了226d。若為無人飛行任務(wù)，核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合VASIMR的系統(tǒng)，可比化學(xué)火箭或核熱火箭運(yùn)輸質(zhì)量更大的貨物［19］?？梢姡帕黧w發(fā)電技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

（2）盤式磁流體發(fā)電機(jī)已成為目前磁流體發(fā)電機(jī)的研究主流。在綜合考慮應(yīng)用背景、技術(shù)優(yōu)勢等因素的情況下，盤式磁流體發(fā)電機(jī)是空間大功率電源的最佳選擇。氦／氙混合氣體在熱物性能等方面具有明顯優(yōu)勢，是盤式磁流體發(fā)電機(jī)理想的工質(zhì)。對盤式磁流體發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究時(shí)，要考慮的主要內(nèi)容包括發(fā)電通道擴(kuò)張角、入口導(dǎo)流片比、通道曲率、外接負(fù)載及電離度等。

（3）盤式磁流體發(fā)電機(jī)性能優(yōu)越，但要實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用還要突破眾多關(guān)鍵技術(shù)。①等離子體穩(wěn)定性技術(shù)，直接影響發(fā)電機(jī)的性能。②等離子體物理參數(shù)的測量技術(shù)，還處于起步階段，測試儀器的靈敏度和準(zhǔn)確度有待提高。③發(fā)電機(jī)發(fā)電通道的加工制作工藝，須深入研究。其中，精確構(gòu)型尺寸是防止內(nèi)表面邊界層分離、影響等離子體穩(wěn)定性的重要因素。

（4）高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)本身也面臨以下技術(shù)難題。①核反應(yīng)堆自身的小型化及長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；②空間核動(dòng)力安全技術(shù)；③耐高溫材料的研制；④高強(qiáng)磁場磁體及大功率配電體制。

6．2 發(fā)展建議

高溫氣體閉環(huán)核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)可以支持太陽能應(yīng)用困難、需要大功率供電和大功率電推進(jìn)的航天任務(wù)，包括地球同步軌道微波成像、月球／火星基地和載人火星飛行等。而且，磁流體發(fā)電的相關(guān)技術(shù)可以應(yīng)用于電推進(jìn)、供配電、空間等離子探測等，同時(shí)可以促進(jìn)耐高溫材料技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)及制造工業(yè)技術(shù)的發(fā)展。我國的空間核電源研究工作剛剛起步，針對反應(yīng)堆、材料、工藝等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，建議選擇磁流體發(fā)電技術(shù)路線，推進(jìn)盤式磁流體發(fā)電機(jī)研究，使我國在空間核動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速發(fā)展。建議在全面開展理論和仿真研究的基礎(chǔ)上，突破發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，完成發(fā)電原理性演示驗(yàn)證，解決工程化問題，開展核動(dòng)力航天器的研究，最終實(shí)現(xiàn)空間核動(dòng)力的工程應(yīng)用。

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