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前沿丨用于海洋探测任务的放射性同位素电源系统

中国核网 | 中国核领域第一门户网站 2022/01/07 13:26

来源:核科技动态

2021年度“空间核与新兴技术会议”于2021年4月26~30日以虚拟方式召开,会议论文集中收录了一篇来自美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)和美国加利福尼亚理工学院(CIT)的研究人员发表的文章,题为“用于海洋世界勘探任务的压力容器内置型放射性同位素电源系统(RPS)概念的考虑因素”。 文章介绍了NASA提出的“海洋世界”探测任务,并重点介绍了该探测任务计划采用的压力容器内置型RPS在设计和运行等方面需要考虑的因素。

1 NASA海洋世界路线图

根据《美国国家航空航天局海洋世界路线图》,NASA已经确定了六个“海洋世界”,即:地球、木卫二、木卫三、木卫四、土卫二和土卫六。除这一组外,还有许多已确定的潜在“海洋世界”,例如海卫一、谷神星、冥王星、天卫一和天卫五等。

为了进入天体地表之下的冰层和海洋开展探测任务,空间探测器需要克服电源和极端环境条件(包括高压和低温)等方面的挑战。目前,众多的空间飞行任务概念都采用了RPS,它们为探测器的作业、生存、融冰和移动等任务提供了动力和热量。另外一些空间飞行任务概念则考虑了一种新的任务架构:在这种新的设计架构中,探测器和RPS被插入到压力容器内部,以隔离和保护系统免受极端环境的影响,例如冰壳内和冰壳下海洋内部巨大的外部压力。

RPS项目飞行任务分析团队和喷气推进实验室(JPL)的A团队联合开展了一项“海洋世界”运行概念研究,重点是确定整个飞行任务期间每个任务阶段压力容器内置型RPS在设计和运行等方面需要考虑的关键因素。

2 海洋世界探测任务的运行概念研究

为了确定运行概念研究的科学要求,研究小组的科学家集思广益,提出了针对“海洋世界”探测任务的科学目标、考察任务和探测设备。运行概念研究考虑的五个科学目标分别是:①寻找和描述冰壳和海洋中的生命;②考察冰壳和海洋的可居住性;③描述冰壳和海洋的物理特性;④描述冰壳和海洋中的化学状态和化学过程;⑤考察冰-洋界面,包括化学和物理过程以及物质交换。

运行概念研究以火星“好奇号”飞行任务的有效载荷质量和功率分配作为类比对象和研究起点,其中有效载荷的总质量和功率分别按75±25 kg和64±16 W考虑。研究选择木卫二和土卫二作为压力容器内置型RPS开展冰壳和海洋探索的基准案例,并讨论了其他“海洋世界”目的地探测需要考虑的因素。

3 压力容器内置型RPS的设计考虑

压力容器内置型RPS的设计受许多因素的影响,例如仪器的功率、质量和体积等。在穿越海洋或在海洋中漂浮时,RPS可以帮助融化冰壳,提供热量保持冰壳的温度,因此需要的热量也会影响RPS和压力容器的大小。同样,“海洋世界”的环境和运行概念将直接影响飞行任务的架构和压力容器内置型RPS的设计。

3.1 压力容器的考虑因素

融冰探测器由一个压力容器组成,压力容器可以保护和容纳RPS、有效载荷和子系统。为了实现对“海洋世界”的探索,这种新颖的布置需要开展专门的开发工作,必须针对飞行任务的各个阶段和目标环境来定制和优化压力容器的设计。

“海洋世界”的表面附近可能含有会造成腐蚀问题的硫酸(<40%摩尔)和高浓度盐类(<冰壳中<25%、海洋中<2%)。在冰-洋界面,木卫二的压力可达约50 MPa,土卫二的压力可达约1MPa。在这种情况下,压力容器如果设计不当会很容易失效,其中最有可能的失效模式是屈曲。因此,材料的强度、重量和热性能选择非常重要。电线、样本采集和窗口等位置的所有穿通装置都需要保证压力安全和流体安全。从无论从质量还是体积来看,采用端帽的方案都很昂贵。另外,密封表面需要配备额外的固定面和安装面。

小型RPS虽然可以降低压力容器的体积和质量,但是可能需要采用低功率子系统和仪器,因此可能无法为冰块的熔化或组件的加热提供足够的余热。

3.2 RPS的考虑因素

在运行概念研究中,RPS的质量为75 kg,可以产生约50~300 We的电力和1 500~4 000 Wt的热功率。RPS中未转化为电能的多余热量被用于对部件进行加热,或通过压力容器壁排出以进行融冰。

将RPS装入压力容器在设计上是个挑战,紧凑的设计可以将辐射源放置在仪器附近,但是这样会影响仪器的性能和寿命,需要通过设置仪器间隔或屏蔽措施来缓解。这两种缓解措施都会增加总体质量,而且设置仪器间隔还会增加体积,这对配置来说极其不利。安装在压力容器的RPS的直径为20~35 cm(无翼直径),长度为90~110 cm。由于压力容器的一些几何限制,现有的RPS可能不适合安装在压力容器内部。

目前,RPS的设计寿命为17年,装料时寿命开始(BOL),退役时寿命终止(EOL),RPS一般在寿命开始后3年内发射。对于巡航时间较长(10年及以上)的“海洋世界”飞行任务和多年期原位表面下作业任务,可能需要重新评估压力容器内置型RPS的设计寿命。

RPS可以设计成在真空中运行(真空压力容器),也可以设计成在充气的“大气”(加压压力容器)中运行。RPS还需要具备承受过载的能力,以应对发射和着陆过程中的载荷。此外,RPS的设计还需要考虑装配、试验和发射操作(ATLO)、空间环境(例如金星重力辅助和机动期间的空间环境)、天体表面状况和天体保护等问题。

4 压力容器内置型RPS的运行考虑

“海洋世界”运行概念主要包括两个部分:①运输部分,包括装配、试验和发射操作阶段、巡航到目的地阶段、入轨阶段、下降和着陆阶段;②勘探部分,包括天体表面作业阶段、穿越冰层表面作业阶段、海洋作业阶段和飞行任务结束后的退役阶段。

(1)装配、试验和发射操作阶段的考虑因素。 在发射前两三年里,爱达荷国家实验室(INL)将开始对系统进行装料、试验、运输和储存工作。装料过程包括将Pu-238装入通用热源(GPHS)模块、对RPS进行验收试验、开展冲击和振动试验以及环境试验。在发射前12个月,RPS将被装入加压或真空压力容器并密封。这些活动都将在INL进行。如果要对压力容器加压,那么填充气体需要对设备无腐蚀性。如果与其他航天器部件共用压力容器,那么这些部件也需要在INL进行组装。使用燃料的系统从储存到发射全过程可能都需要主动冷却,冷却方法取决于RPS的尺寸和热输出。系统必须通过验收,并满足压力容器完好的标准。大约在发射前六个月,压力容器内置型RPS将通过RTG 9904 B型容器运输到发射场,其中这个特殊的运输容器对压力容器内置RPS的尺寸有一定的限制。完成交付后,压力容器内置型RPS将与其他飞行硬件进行组装,以便进行整体功能检查。系统集成到运载火箭整流罩之后,仍需持续冷却,这就要求开辟通过整流罩进入RPS的通道。每个RPS不仅要承受发射冲击和振动载荷(20 g以内),而且要减轻发射失败的风险。

(2)巡航和入轨期间的考虑因素。 如果巡航过程要飞越金星(VGA),那么热设计就需要考虑航天器表面将受到来自太阳的更高热量输入。将RPS的余热排向空间会降低散热器的效率;相比之下,在标称巡航到外行星期间,将余热排向4千米深空则不会降低散热器的效率。深空巡航阶段可能需要10年甚至更长的时间。飞越地球是RPS飞行任务的一个关键阶段,该阶段涉及到安全问题,在发生故障时应评估系统撞击地球的概率。压力容器还需要进行分解和解体分析,以验证在发射或再入阶段出现故障时,放射性物质不会释放到环境中。目标行星系周围的辐射环境将决定要选择的轨道和抵达地点,而入轨振动和冲击载荷预计将低于发射载荷。

(3)下降和着陆时的考虑因素。 在脱离运载火箭后,RPS可能需要在1小时的下降和着陆过程中自行进行热调节。实施自主危险规避和软着陆,可以将过载降到低于发射时的水平。下降推进器应该避免污染目标表面,因为这可能会影响着陆后的样本分析。

(4)表面作业期间的考虑因素。 在天体表面可以停留的时间取决于辐射环境(木卫二的停留时间最长),盐氨沉积物可能会在天体表面形成酸性层,因此系统需要采用耐腐蚀的材料。在初始融冰过程中,大部分RPS的热量将集中在头部(即飞行方向的前端),而压力容器探测器则需要调整到垂直方向,以最大限度降低压力容器与冰层之间的交界面,并将重量集中在系统的头部)。融冰探测器需要承受构造力、压力和潮汐力,并可以在探测的各个阶段实现锚固,其中锚固方法取决于天体表面的硬度。融冰技术包括钻孔、融化和(或)喷水。由于低重力环境,如果融水没有升华形成液体坑,探测器可能会遭遇浮力,阻止其进一步下降。这可能会成为探测土卫二或其他较小的卫星的一个挑战,因此探测过程中可能需要采用机械方法。

(5)表面下作业期间的考虑因素。 探测器的几何形状——包括前壁和侧壁热设计——与环境条件密切相关,会影响探测器的行进速度,并最终影响到达“海洋”的时间。例如,较暖的纯冰比受污染的冷冰更软,更适合用紧凑的探测器。例如,一个直径20cm、长数米的压力容器内置型RPS可以有效地穿越冰层。有效载荷和子系统的小型化可以降低能量需求,而且可以让压力容器的设计更紧凑。探测器长度增加一倍会让其体积更大,但会使电力需求增加一倍以上,同时会增加重量,从而影响着陆结构和热分配的设计。探测器可能需要专用的散热系统,而不是直接系在压力容器壁上。对于分段式的压力容器设计,容纳RPS的部分需要向其他部分提供电力和热能。对于所有类型的RPS,热控和电源安全都是重要的考虑因素。在冰-水界面进行科学研究时,探测器壁的可变热功率将控制融化速度和样本采集。探测系统也可以使用合适的锚固系统,其中锚固系统的设计不能干扰探测器的移动,而且还要减轻融化冰坑中的浮力。

(6)“海洋”作业期间的考虑因素。 探测器可以在“海洋”中自由移动,也可以固定在入水点,这会影响飞行任务结束时的处置。带系绳的无浮力设计与漂浮型设计不同,后者需要有浮力,而且要有专用的推进系统。未知的洋流会让设计更加复杂,而压力容器的质量将取决于冰壳的深度。飞行任务的持续时间以及海洋成分会影响防腐蚀缓解方案、材料的选择、探测器质量和飞行器的整体设计。

(7)飞行器退役之后的考虑因素。 时间长了,RPS会在冰面上融出液体坑,形成积水环境。虽然经过几十年的衰变,Pu-238会自然地将热量输出降低到安全水平,但压力容器在海洋或冰壳中的腐蚀可能会将热量、放射性物质或未经消毒的部件暴露在海洋中。因此还需要进一步研究,以确定出符合天体保护指南的处置时间跨度。

(8)天体保护的考虑因素。 天体保护方面的考虑因素将影响仪器的设计和放置,决定它们是放置在压力容器外部直接与环境接触,还是放置在RPS内部。发射操作期间需要分析污染控制情况,入轨、下降和着陆过程中要评估重力辅助机动对准目的地或撞击潜在天体生物学目标的可能性。在冰面和地表下的海洋中穿行时,天体保护会受到压力容器中水取样方式及移动方式的影响。飞行任务结束时,如果仪器在飞行前没有消毒,则需要在处置前进行消毒。

这项研究的一个目标是让科学、技术和飞行任务开发界了解这几类原位勘探飞行任务的设计和运行考虑因素。未来,这些考虑因素可以形成RPS的设计指南,并成为RPS系统的必备要求。

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