基于氫化鎂的核電/核熱雙模共質(zhì)空間核動(dòng)力技術(shù)

林慶國(guó)，王浩明，程 誠(chéng)

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

隨著空間任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性的發(fā)展趨勢(shì)，未來空間任務(wù)對(duì)能源和動(dòng)力的需求日益提高。NASA 針對(duì)至2055 年前的民用航天任務(wù)需求，從四個(gè)維度進(jìn)行了分析論證[1]：①外太陽系，包括火星、遠(yuǎn)行星(土星、天王星、海王星、冥王星)以及小行星、彗星無人探測(cè)；②太陽系，無人和載人的火星及其衛(wèi)星探測(cè)、載人/貨運(yùn)飛船；③地月軌道，永久有人月球前哨站、有人月球基地、無人月球觀察站陣列、電推進(jìn)飛船；④地球軌道，GEO（Geostationary Orbit）通信平臺(tái)、GEO 駐留站/基地、雷達(dá)衛(wèi)星、微重力材料加工廠、新型空間站。研究指出，人類對(duì)于月球和火星的探測(cè)任務(wù)，所需能源達(dá)百千瓦到兆瓦量級(jí)，高性能電推進(jìn)飛船電功率將達(dá)2～10 MW，而對(duì)于無人深空探測(cè)飛行器所需功率為百千瓦量級(jí)。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)同樣針對(duì)未來高功率民用航天任務(wù)的能源需求進(jìn)行了綜述。IAEA 將未來民用航天任務(wù)根據(jù)其能源需求等級(jí)[2]，分為了5 個(gè)部分：①百千瓦級(jí)的通信與電視直播任務(wù)，包括高容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)、移動(dòng)對(duì)象全球通信系統(tǒng)、高性能信息系統(tǒng)、高解析度多通道電視直播等；②亞兆瓦級(jí)的環(huán)境保護(hù)任務(wù)，包括放射性廢料處理、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間垃圾清除等；③兆瓦級(jí)的空間發(fā)電及產(chǎn)品處理任務(wù)，包括飛行器遠(yuǎn)程供電、微重力環(huán)境下的產(chǎn)品加工；④兆瓦級(jí)的科學(xué)研究，包括空間通信基礎(chǔ)研究、行星探測(cè)、火星任務(wù)等；⑤兆瓦級(jí)以上的全球空間任務(wù)，包括地球供能、小行星能源開采、臭氧層修復(fù)、溫室效應(yīng)控制等。

除了民用航天任務(wù)之外，各類空間武器的發(fā)展也對(duì)空間能源提出了更高的要求。美國(guó)發(fā)布的戰(zhàn)略防御倡議(SDI)，將各式空間武器對(duì)能源的需求分成了3 個(gè)等級(jí)[3]，包括基態(tài)、警戒態(tài)和爆發(fā)態(tài)。對(duì)于包括紅外、雷達(dá)、激光和粒子束在內(nèi)的各類武器在其爆發(fā)態(tài)時(shí)，對(duì)能源的需求大幅提高，遠(yuǎn)大于基態(tài)和警戒態(tài)，甚至可能達(dá)到兆瓦至百兆瓦量級(jí)。

不論是民用航天任務(wù)，還是空間軍事飛行器，目前的能源供給主要依靠太陽能作為一次能源的發(fā)電器。利用太陽電池陣獲取并轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)于小電功率需求的飛行器基本適用，但是無法滿足日趨增大的各類空間任務(wù)電功率需求；同時(shí)展開式太陽電池陣在空間軍事飛行器打擊過程中，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撓性問題會(huì)增加飛行器指向精度難度，增加作戰(zhàn)隱身難度；深空探測(cè)飛行器地影區(qū)太陽能電池陣無法正常供電，需要大型蓄電池為飛行器提供能源，并且太陽能隨著飛行器與太陽距離的增大而快速衰減。因此，按照未來空間能源大功率、長(zhǎng)壽期、深遠(yuǎn)空的發(fā)展要求，核能是唯一的解決途徑。

在空間動(dòng)力方面，對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)而言，目前空間飛行器大多采用化學(xué)推進(jìn)的液體雙組元模式，其比沖基本達(dá)到理論極限，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增加，對(duì)于軌道轉(zhuǎn)移的快速性、經(jīng)濟(jì)性存在一定約束。因此，發(fā)展高比沖、大推力的高水平推進(jìn)系統(tǒng)是空間動(dòng)力的必然發(fā)展趨勢(shì)。使用分子量較小的氫作為推進(jìn)工質(zhì)是提高化學(xué)推進(jìn)比沖的重要手段，而使用氙、氪、氬及鎂、鋅、鉍等氣態(tài)或者固態(tài)工質(zhì)的電推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)⒈葲_進(jìn)一步提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。無論是氫的熱推進(jìn)，還是氣態(tài)/固態(tài)工質(zhì)的電推進(jìn)，要實(shí)現(xiàn)高比沖、大推力的目標(biāo)，對(duì)熱源的品位和功率要求都很高。以噸級(jí)的氫核熱發(fā)動(dòng)機(jī)為例，所需熱功率約50 MW，而10 牛級(jí)的電推進(jìn)所需電功率大約1 MW，同時(shí)，還需要通過熱電轉(zhuǎn)換將熱能首先轉(zhuǎn)化為電能。因此，空間動(dòng)力系統(tǒng)同樣需要以核能為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)以氫為工質(zhì)的高比沖、大推力系統(tǒng)，同時(shí)，也可以結(jié)合高效熱電轉(zhuǎn)換進(jìn)行超高比沖的核電推進(jìn)。

以核為基礎(chǔ)的空間能源動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)滿足未來空間能源系統(tǒng)大功率、長(zhǎng)壽期、深遠(yuǎn)空的要求，同時(shí)也滿足了空間動(dòng)力系統(tǒng)高比沖、大推力的發(fā)展趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)的核動(dòng)力系統(tǒng)往往推進(jìn)模式單一，一般以核熱推進(jìn)或者核電推進(jìn)二選一的模式進(jìn)行，如俄羅斯火星計(jì)劃中采用液氫工質(zhì)的68 kN 核熱推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)[5]，以及“普羅米修斯計(jì)劃”中以氙氣為工質(zhì)的200 kW 大功率電推進(jìn)系統(tǒng)[6]。同時(shí)，也存在兼顧發(fā)電和小推力推進(jìn)功能的雙模式系統(tǒng)，如NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目中提出的具備27 kW 供電能力和26.39 N 推力的雙模式系統(tǒng)[7]?？傮w而言，傳統(tǒng)核動(dòng)力系統(tǒng)工作模式單一，無法滿足未來飛行器多任務(wù)適應(yīng)性的特點(diǎn)。

1 推進(jìn)工質(zhì)

1.1 核熱推進(jìn)

1.1.1 液氫

氫由于其分子量小，常用于核熱推進(jìn)的工質(zhì)以獲得高比沖(～900 s)。從NOVER/NERVA 計(jì)劃[2]和RD0140 核熱發(fā)動(dòng)機(jī)[5]，以及后期的火星DRA5.0計(jì)劃[8-9]，均采用了液氫作為工質(zhì)。液氫雖然性能高，但其沸點(diǎn)低(～20 K)，容易受熱蒸發(fā)，因此，液氫的長(zhǎng)期、高密度、可靠存儲(chǔ)仍然存在諸多難點(diǎn)。針對(duì)空間應(yīng)用的核動(dòng)力飛行器，液氫作為推進(jìn)工質(zhì)存儲(chǔ)的主要問題是空間太陽輻射、黑背景等復(fù)雜熱環(huán)境導(dǎo)致儲(chǔ)箱內(nèi)的液氫出現(xiàn)熱分層，同時(shí)微重力條件下對(duì)流作用減弱，熱分層難以消除，最終使得貯箱壓力升高。

為了在飛行過程中保證液氫貯箱的額定壓力，避免貯箱破壞，一方面可采取將蒸發(fā)的氣態(tài)低溫推進(jìn)劑排出箱外，這不僅造成了推進(jìn)劑的浪費(fèi)和總沖的減小，而且排氣還會(huì)干擾飛行姿態(tài)；另一方面可通過被動(dòng)熱防護(hù)和主動(dòng)制冷的方式[10]，降低液氫蒸發(fā)速率甚至達(dá)到零蒸發(fā)(Zero Boil-Off，ZBO)。被動(dòng)防護(hù)主要通過絕熱材料、遮擋隔熱、連接隔熱技術(shù)減小漏入熱量，同時(shí)結(jié)合熱力學(xué)排氣等壓力控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)能夠?qū)⒁簹涞脑抡舭l(fā)量控制在3%。然而，僅靠被動(dòng)熱防護(hù)無法滿足數(shù)月或者更長(zhǎng)時(shí)間的空間任務(wù)，此時(shí)必須采用低溫制冷機(jī)這一主動(dòng)制冷方式。低溫制冷機(jī)的效率一般低于5%(見表1)，并且隨著冷端溫度的降低而降低，因此，制冷機(jī)的加入除了增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量之外，還需持續(xù)消耗電功率。

表1 低溫制冷機(jī)參數(shù)［11］Tab.1 Cryocooler charateristics［11］

綜上所述，氫的核熱推進(jìn)能夠獲得高比沖，但是現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)需要通過絕熱材料減少熱漏率或者采用低溫制冷機(jī)進(jìn)行熱量移除，因此，除液氫工質(zhì)本身之外增加了許多圍護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及功耗的上升，難以滿足核動(dòng)力飛行器5～10 a 甚至更長(zhǎng)壽期的運(yùn)行特點(diǎn)。

1.1.2 固態(tài)儲(chǔ)氫材料

包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液氫的儲(chǔ)氫方式，需要高壓或者低溫的特殊儲(chǔ)存條件和外圍設(shè)備，從而限制了儲(chǔ)氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，采用碳纖維纏繞的高壓氣瓶(35～75 MPa)，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～7%；在高絕熱的杜瓦瓶存儲(chǔ)液氫時(shí)，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5.5%[12]。因此，傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度和安全系數(shù)較低。固態(tài)儲(chǔ)氫物質(zhì)由于其本身的熱穩(wěn)定性，能夠在常溫常壓下長(zhǎng)期儲(chǔ)存[12]，具備較好的安全性，滿足核動(dòng)力飛行器長(zhǎng)壽期的要求。典型的儲(chǔ)氫材料及其性質(zhì)見表2[14-16]。

1.2 核電推進(jìn)

電推進(jìn)所使用的工質(zhì)種類較多[17]，包括鋰、鋅、鎂、鉍、碘等固體工質(zhì)，汞、銫、氨等液體工質(zhì)和氬、氪、氙等氣體工質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)的電推進(jìn)工質(zhì)仍然以氙氣為主，用于霍爾或者離子電推進(jìn)，雖然氙氣可控性較好，但是在空間需要進(jìn)行7 MPa 左右的高壓存儲(chǔ)。固體工質(zhì)一般存儲(chǔ)密度較高，便于存儲(chǔ)。國(guó)外對(duì)于氙氣之外的一些固體工質(zhì)開展了一系列研究[18]，從比沖、速度增量、存儲(chǔ)密度等方面對(duì)比發(fā)現(xiàn)，部分金屬工質(zhì)相比氙氣在性能上具有優(yōu)勢(shì)如圖1 所示。

圖1 不同工質(zhì)與氙氣性能對(duì)比的相對(duì)值Fig.1 Relative magnitude of comparison between propellant and Xe

2 氫化鎂

2.1 工質(zhì)特點(diǎn)

綜合考慮核熱/核電推進(jìn)工質(zhì)特點(diǎn)以及存儲(chǔ)難度，選擇氫化鎂作為多模式核動(dòng)力技術(shù)的工質(zhì)。氫化鎂的儲(chǔ)氫密度可達(dá)7.67%，單位體積儲(chǔ)氫量高于高壓儲(chǔ)氫和液氫。同時(shí)，放氫溫度大于350 ℃(在空間環(huán)境能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定)，放氫產(chǎn)物為氫氣和單質(zhì)鎂，分別可作為核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)的工質(zhì)。氫化鎂可以通過不同的分解溫度得到不同壓力的氫氣，即在高溫下能夠直接分解出高壓氫氣，相比液氫的核熱推進(jìn)系統(tǒng)可省去氫渦輪泵這一增壓設(shè)備。

表2 典型儲(chǔ)氫材料性質(zhì)Tab.1 Properties of typical hydrogen storage materials

2.2 加熱分解特性

氫化鎂加熱可分解生成鎂和氫氣的方程式[19]：

其反應(yīng)溫度與平衡壓力關(guān)系如圖2 所示。圖2中曲線將圖分成了鎂和氫化鎂兩部分，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)在曲線上方時(shí)，進(jìn)行吸氫反應(yīng)；當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)在曲線下方時(shí)，進(jìn)行放氫反應(yīng)。

根據(jù)分解反應(yīng)方程式反應(yīng)焓以及能量守恒，理想狀態(tài)下即反應(yīng)吸收熱能全部用于打開鎂和氫之間的化學(xué)鍵，產(chǎn)生每摩爾氫氣需要熱量為74.34 kJ，系統(tǒng)放氫速率和熱功率成正比。由此，在理想狀態(tài)下每kW 加熱量可以得到0.027 g/s 的氫氣流量。理論上該流量與溫度壓力無關(guān)，不同放氫溫度和壓力下，輸入相同熱功率得到的氫氣流量相同，但是得到氫氣的溫度和壓力有所區(qū)別。實(shí)際放氫過程與溫度、壓力以及氫化鎂的制造工藝都有關(guān)系，在熱功率一定的情況下，溫度越高，壓力越低，放氫流量越接近理想狀態(tài)。

圖2 鎂/氫化鎂系統(tǒng)平衡壓力與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between equilibrium pressure and temperature in Mg/MgH2system

3 雙模共質(zhì)核動(dòng)力系統(tǒng)

氫化鎂雙模推進(jìn)系統(tǒng)以氫化鎂為推進(jìn)工質(zhì)，利用反應(yīng)堆熱能分解產(chǎn)生氫氣和鎂，其中氫氣作為核熱推進(jìn)工質(zhì)，鎂可作為電推進(jìn)或者核熱推進(jìn)工質(zhì)。因此，結(jié)合高效熱電轉(zhuǎn)換，可形成3 種推進(jìn)模式，即氫氣的高比沖核熱推進(jìn)、鎂的大功率超高比沖電推進(jìn)以及鎂的大推力核熱推進(jìn)。系統(tǒng)原理圖如3所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System schematic diagram

4 工作模式及性能計(jì)算

基于氫化鎂的多種工作模式均以空間核反應(yīng)堆熱源為基礎(chǔ)，本文按反應(yīng)堆總熱功率10 MW 計(jì)算，進(jìn)行不同工作模式下系統(tǒng)供能及推進(jìn)能力的計(jì)算。

4.1 鎂核電推進(jìn)模式

以鎂為電推進(jìn)工質(zhì)的研究工作主要由密歇根科技大學(xué)、Busek 進(jìn)行[20]。按照理論計(jì)算，鎂的電推進(jìn)比沖可達(dá)氙氣的2.3 倍，密歇根科技大學(xué)在BPT-2000推力器上進(jìn)行了鎂金屬推進(jìn)劑性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，推力功率比可達(dá)18 mN/kW，比沖為2 760 s；同樣的推力器在更換氙氣工質(zhì)后，比沖為1 500 s。Busek的鎂工質(zhì)電推力器在鎂流量1 mg/s 時(shí)，測(cè)得推力40 mN(計(jì)算比沖4 000 s)。因此，鎂作為電推進(jìn)工質(zhì)，其比沖完全有可能達(dá)到7 000 s 甚至更高。在電推進(jìn)模式下，反應(yīng)堆熱能絕大部分用于熱電轉(zhuǎn)換，剩余部分用于鎂的汽化，以鎂蒸汽的形式供給電推力器。電推力器推力與比沖、電功率關(guān)系如下：

式中：Pd為電功率；ηb、ηv分別為羽流擴(kuò)散角效率和電壓效率(一般的，ηb=0.8，ηv=0.95)；Isp為比沖。按照10 MW 的反應(yīng)堆熱量和30%的熱電轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算得到電推進(jìn)推力約47 N。

4.2 氫氣核熱推進(jìn)模式

氫氣從作為核熱推進(jìn)的工質(zhì)具有高比沖的特點(diǎn)。按照比沖計(jì)算公式，可以推導(dǎo)在一定加熱功率下，加熱至不同溫度時(shí)氫氣的流量和推力如下：

由公式可推出，當(dāng)分解出的氫氣溫度一定時(shí)，氫氣推進(jìn)溫度越高，推力越小。

根據(jù)氫氣的使用方式，可分為即時(shí)放氫和高壓儲(chǔ)氫兩種。前者是指氫化鎂的分解和氫氣的核熱推進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，以獲得連續(xù)的推力；后者是指分解與加熱分步進(jìn)行，通過氫氣儲(chǔ)罐暫存分解出的氫氣，在熱功率一定的情況下提高推進(jìn)時(shí)氫氣的瞬時(shí)流量，提高推力。

1)即時(shí)放氫。即時(shí)放氫的工作模式必須滿足：①分解與加熱同時(shí)進(jìn)行；②分解速率等于加熱速率。據(jù)此可得到

式中：Q為反應(yīng)堆總熱功率(10 MW)；Q1為氫化鎂分解耗熱量；Q2為氫氣加熱耗熱量。

圖4 為即時(shí)放氫模式下，氫氣流量、推力與推進(jìn)溫度之間的關(guān)系。熱功率一定時(shí)，隨著推進(jìn)溫度的升高，比沖不斷提高而氫氣流量逐漸下降，在1 800 K 的推進(jìn)溫度下推力達(dá)到極大值1 196 N。

圖4 即時(shí)放氫模式下推力、流量與推進(jìn)溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in instant dehydrogenation mode

2)高壓儲(chǔ)氫。10 MW 加熱量持續(xù)分解氫化鎂得到氫氣流量上限為243 g/s，高壓儲(chǔ)氫通過存儲(chǔ)氫化鎂分解得到的高壓、高溫氫氣，使得在推進(jìn)時(shí)的氫氣流量能夠超過其上限。高壓儲(chǔ)氫模式下，氫氣推進(jìn)時(shí)的流量上限取決于總熱功率和推進(jìn)溫度與儲(chǔ)氫溫度間的差值。在反應(yīng)堆10 MW 加熱量的約束條件下，可以得到不同推進(jìn)溫度下氫氣的流量及推力，如圖5 所示。從圖5 中數(shù)據(jù)可見，通過高壓儲(chǔ)氫的模式可以在相同的推進(jìn)溫度下將推力提高2～6 倍。需要注意的是，高壓儲(chǔ)氫模式需要緩沖罐存儲(chǔ)分解出來的氫氣，因此，緩沖罐大小決定了單次工作的時(shí)間，該模式下系統(tǒng)能夠以長(zhǎng)脈沖的形式提供動(dòng)力。

圖5 高壓儲(chǔ)氫模式下推力、流量與推進(jìn)溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in hydrogen storage mode

4.3 鎂核熱推進(jìn)模式

鎂作為核熱推進(jìn)工質(zhì)，在氫化鎂分解完后，反應(yīng)堆熱量均用于將金屬鎂熔化后加熱形成鎂蒸汽。鎂的基本性質(zhì)見表3。

與氫的核熱推進(jìn)類似，鎂的核熱推進(jìn)同樣可以分為即時(shí)推進(jìn)和液化推進(jìn)兩種模式。

1）即時(shí)推進(jìn)

表3 鎂的基本性質(zhì)Tab.3 Basic properties of magnesium

即時(shí)液化推進(jìn)模式須滿足：①單位時(shí)間液化量等于氣化流量；②總功率一定。不同推進(jìn)溫度下鎂的流量與推力變化如圖6 所示。從鎂的性質(zhì)來看，加熱功率主要用于氣化(見表4)，因此，在總熱功率一定的條件下，推進(jìn)溫度升高導(dǎo)致的流量衰減并不大，而比沖能有效得到提高。因此，在鎂做熱推時(shí)，提高推進(jìn)溫度可同時(shí)提高比沖和推力，如圖6 所示，在2 800 K 時(shí)對(duì)應(yīng)比沖223 s，推力2 638 N。

圖6 即時(shí)推進(jìn)模式下鎂核熱推進(jìn)的推力、流量與推進(jìn)溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between thrust，flow rate and propulsion temperature in instant mode

表4 鎂加熱過程各階段熱量占比Tab.4 Heat proportion in each period during magnesium heating

2）液化推進(jìn)

如采用整體液化后推進(jìn)的模式，此時(shí)需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，將鎂全部液化，隨后通過反應(yīng)堆氣化后實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。10 MW 加熱量下單位質(zhì)量鎂的熔化時(shí)間0.93 s/kg，不同推進(jìn)溫度下鎂的比沖、推力如圖7 所示。與即時(shí)液化推進(jìn)模式相同，由于氣化潛熱較大，推力和比沖在1 600～2 800 K 的推進(jìn)溫度范圍內(nèi)，隨著推進(jìn)溫度而升高，在2 800 K 時(shí)，推力2 773 N，比沖223 s。

4.4 推進(jìn)模式切換

飛行器在不同任務(wù)或者任務(wù)不同階段可根據(jù)需求切換推進(jìn)模式，而模式切換的關(guān)鍵在于不同模式下所用工質(zhì)的供給。由于氫化鎂分解同時(shí)產(chǎn)生氫氣和金屬鎂，需要通過工質(zhì)儲(chǔ)供系統(tǒng)將氫鎂進(jìn)行氣固分離，如進(jìn)行氫氣核熱推進(jìn)時(shí)，將分解出的金屬鎂進(jìn)行分離和存儲(chǔ)；使用鎂工質(zhì)進(jìn)行電推進(jìn)或者熱推進(jìn)時(shí)，分解出的氫氣進(jìn)行暫存。模式切換過程中，反應(yīng)堆熱能根據(jù)不同模式對(duì)熱能的需求通過載熱劑（反應(yīng)堆冷卻工質(zhì)）管路進(jìn)行分配：①在鎂的核電推進(jìn)時(shí)，反應(yīng)堆熱能用于熱電轉(zhuǎn)換和鎂的加熱；②在氫氣核熱推進(jìn)時(shí)，反應(yīng)堆熱能用于氫化鎂分解和氫氣加熱推進(jìn)，推進(jìn)用氫氣作為反應(yīng)堆冷卻工質(zhì)之一；③在鎂的核熱推進(jìn)時(shí)，反應(yīng)堆熱能用于氫化鎂分解和金屬鎂的加熱推進(jìn)，鎂作為反應(yīng)堆冷卻工質(zhì)之一。

5 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)梳理

基于氫化鎂的雙模共質(zhì)核動(dòng)力系統(tǒng)涉及空間核反應(yīng)堆、大功率熱電轉(zhuǎn)換、工質(zhì)儲(chǔ)供以及各類推力器，關(guān)鍵技術(shù)及相應(yīng)技術(shù)方案梳理如下：

1）氫化鎂加熱分解技術(shù)

持續(xù)獲取穩(wěn)定的氫氣流量關(guān)鍵在于分解加熱器的設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的加熱方式常采用電加熱，而在核動(dòng)力系統(tǒng)中，必須使用反應(yīng)堆冷卻劑(氣體或者液態(tài)金屬)，因此，儲(chǔ)箱內(nèi)部加熱管道的設(shè)計(jì)及配置優(yōu)化是穩(wěn)定、高效分解氫化鎂的關(guān)鍵。

2）工質(zhì)儲(chǔ)供技術(shù)

針對(duì)不同推進(jìn)模式對(duì)工質(zhì)的種類、流量、壓力的不同要求，解決工質(zhì)分離、儲(chǔ)供的問題，包括：微重力條件下的氫鎂氣固分離技術(shù)、高壓儲(chǔ)氫技術(shù)、電推進(jìn)工質(zhì)的小流量高精度供給技術(shù)、液態(tài)鎂高溫增壓泵技術(shù)。

3）金屬工質(zhì)大功率電推進(jìn)技術(shù)

現(xiàn)有的鎂的電推進(jìn)技術(shù)仍然存在運(yùn)行穩(wěn)定性等問題，需要進(jìn)一步解決推力器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推力器內(nèi)部溫控技術(shù)(防止形成固態(tài)鎂)以及防沉積技術(shù)。

6 結(jié)論

基于氫化鎂的雙模共質(zhì)空間核動(dòng)力技術(shù)采用熱穩(wěn)定性好、儲(chǔ)氫密度高的氫化鎂作為飛行器唯一攜帶工質(zhì)，利用反應(yīng)堆熱能進(jìn)行分解產(chǎn)生氫氣和鎂，解決了空間長(zhǎng)時(shí)間、高密度穩(wěn)定儲(chǔ)氫的問題。通過反應(yīng)堆的熱能的利用，可形成大功率超高比沖核電推進(jìn)(14 N/MWe，比沖7 000 s)、高比沖氫氣核熱推進(jìn)(～120 N/MWth，比沖900 s)以及大推力鎂核熱推進(jìn)(～278 N/MWth)的多種工作模式?；谠摷夹g(shù)的核動(dòng)力飛行器可以通過切換模式，得到不同推力和比沖的動(dòng)力輸出，提高了飛行器的任務(wù)適應(yīng)性。