基于紧凑型气冷反应堆布雷顿循环的空间核电推进系统功率控制方法比较研究

《Energy》：Comparative study of power control methods for a space nuclear electric propulsion system with a compact gas-cooled reactor Brayton cycle

　　马文奎|杨楚平|曾一谦|孙琪|叶伟祥|杨晓勇 中国北方电力大学核科学与工程学院，核能被动安全技术北京重点实验室，北京102206

摘要：随着深空探测任务的规模和持续时间不断增加，传统的太阳能和化学推进系统难以满足高比冲和长寿命的需求。基于紧凑型气冷反应堆布雷顿循环的空间核电推进系统为这一难题提供了有希望的解决方案。了解其功率控制特性对于确保系统的安全高效运行至关重要。本文通过整合核热模块和电气模块，建立了SNEPS的动态模型。利用该模型，在典型的阶跃变化瞬态条件下，研究了三种可行控制方法——控制鼓、旁通阀和寄生负载——的功率控制特性。研究结果表明，这三种方法都能有效调节系统功率。控制鼓通过调整反应堆反应性和涡轮进口温度，可实现全范围功率控制（0–100%），且能量利用效率最高，但由于热惯性，响应速度较慢（数分钟）。旁通阀通过改变局部流量分布，可实现快速响应（数秒），但效率较低。寄生负载则通过重新分配电能，实现最快响应（瞬间），但效率最低，且控制范围有限（0–40%）。通过比较分析，确定了最佳应用场景：控制鼓适用于需要大功率波动且能容忍较慢响应的任务，而旁通阀和寄生负载则更适合对响应速度要求较高的场景。本研究为选择和实施空间核电推进系统的功率控制策略提供了参考。

引言：在技术不断进步的推动下，包括行星探测和轨道任务在内的深空探测已成为许多国家的战略重点。开发安全、可靠、高效且体积小的高功率空间动力系统，对于提升航天器性能至关重要。空间动力系统的主要组成部分包括太空能源源、能量转换装置、废热排放系统以及功率管理和分配单元[1]、[2]。就太空能源而言，化学能和太阳能等传统能源存在使用寿命短、依赖阳光照射且能量密度低等问题。而核反应堆具有能量密度高、寿命长、发电稳定且不受阳光影响等优点，能够提供从千瓦到兆瓦不等的功率，非常适合用于深空探测器[3]、[4]。能量转换装置则将反应堆产生的裂变能转换为电能。常见的高功率能量转换技术包括朗肯循环、斯特林循环和布雷顿循环。朗肯循环易出现两相流不稳定问题[5]；斯特林循环适用于小型功率系统[6]；而布雷顿循环则充分利用了反应堆出口的高温度，因此在转换效率和紧凑性方面具有显著优势[7]、[8]。因此，基于紧凑型气冷反应堆布雷顿循环的空间核电推进系统具有结构简单、总质量和体积较小以及发电效率高等优点，是未来高功率空间动力系统的理想选择。

在热力学性能方面，一些研究表明，地球上的能源系统存在多种复杂的约束条件和影响因素，这使得这类系统的最优设计十分困难。因此，人们采用了非支配排序遗传算法（NSGA）和混合机器学习模型等先进算法，对集成能源系统进行优化研究[9]、[10]。例如，Naghipour等人[11]、[12]利用NSGA算法，考虑了能耗、碳排放和生命周期成本等因素，对不同气候条件下的建筑围护结构进行了多目标优化研究。类似的多目标优化方法也被应用于SNEPS的研究中。由于受到火箭有效载荷的限制，SNEPS在热力学性能、体积和重量之间需要进行多目标权衡。一些研究通过综合考虑与系统体积和重量相关的约束条件，对热力学性能进行了多目标优化研究。例如，刘等人[13]、马等人[14]、[15]、苗等人[16]以及关等人[17]、[18]研究了工作流体成分等关键参数对紧凑型气冷反应堆布雷顿循环的热力学性能和重量的影响机制。他们通过优化研究，旨在最大化发电效率并最小化重量，从而提出最优的系统设计方案。在此基础上，江等人[19]、[20]建立了详细的系统重量估算模型，并通过多目标优化找到了能够在系统发电效率与重量之间取得平衡的最优设计。关于在系统重量约束下的热力学性能研究已经较为成熟。

在动态特性方面，地球上的建筑能源系统是涉及多种物理过程的集成系统。由于要应对持续的负荷变化，这些系统表现出极其复杂的动态特性[21]、[22]。SNEPS也是一个复杂的非线性、强耦合系统，具有多个时间尺度和多种物理过程。它在太空环境中以孤立模式运行，并且需要自主控制，因此要频繁应对负荷变化。系统固有的耦合复杂性，再加上独特的太空运行环境，使得其在功率控制和事故状态下的动态行为极为复杂。

太空环境条件极为恶劣，流星体或碎片撞击可能会引发严重事故，如非预期的反应性增加、部件机械故障、散热器损坏或负荷丢失等。Bettis等人[23]和孟等人[24]基于系统级集总参数模型，研究了涡轮机械故障、非预期反应性增加、冷却剂泄漏和散热器损坏等事故的瞬态响应特性。他们的研究发现，反应堆的负反馈效应能够确保系统的良好稳定性和安全性。张等人[25]和秦等人[26]通过动态仿真，研究了包括涡轮机械故障和非预期反应性增加在内的事故的瞬态安全特性。他们的结果表明，过大的非预期反应性增加会导致燃料温度和电机功率超过设计极限，从而为这类事故场景定义了运行安全边界。有一项研究针对紧急停机事故进行了分析，得出结论认为被动衰变热去除系统能够保证系统的内在安全性[27]。马等人基于系统动态仿真，揭示了在负荷丢失瞬态期间，多个并行运行的布雷顿循环之间的耦合机制[28]。在此基础上，他们进一步研究了非预期反应性增加和散热器损坏等事故的特性，并为这类事故场景提出了运行安全边界[29]、[30]。此外，还有一些学者研究了与空间锂冷微反应堆相结合的间接布雷顿循环系统的事故特性。例如，Wright等人[31]、[32]研究了涡轮机械减速过程中的系统特性，发现自主控制能够迅速降低反应堆功率，从而避免燃料元件过热和轴转速过高。侯等人[33]研究了负荷变化、反应性增加和散热器损坏等事故，得出的结论是反馈调节能够确保系统的安全稳定运行。

为了确保发电能力能够及时满足推进器的功率需求变化，并在事故发生时保证系统安全运行，一些研究提出了该系统的功率控制方法，并对其功率控制特性进行了研究。例如，Wright等人[34]根据系统的运行要求和约束条件，提出了旁通阀、控制鼓、泵、节流阀和工作流体储备等潜在的功率控制方法，并对其优缺点进行了定性分析。李等人[35]基于动态系统模型，提出了三种功率控制方法：储备控制、泄压控制和变速控制。通过比较分析，他们发现储备控制能够带来最佳的循环性能。在此基础上，还有不少学者对系统的功率控制特性进行了研究。例如，辛等人[36]研究了在控制鼓控制下氦氙布雷顿循环的功率增减特性，发现控制鼓能够满足各种航天器任务的功率需求，而且反应堆具有自我调节能力和稳定性。王等人[37]研究了旁通阀的控制特性，发现它能够实现系统功率和旋转速度的快速调整。

尽管现有的研究已经探讨了系统在事故状态下的安全行为，提出了常用的功率控制方法，并研究了在特定控制动作下的动态特性，但这些研究大多简化了电力系统的建模方式——尤其是发电机和直流母线，往往将其视为边界条件或等效负载。因此，电力控制过程在真实的热电耦合作用下的动态响应仍未能得到充分描述。

为弥补这一研究空白，本文基于多物理原理，建立了空间核动力系统的全面动态模型。该模型整合了核热模块（反应堆、布雷顿循环、涡轮机械和轴动力学）和电气模块（永磁发电机、直流母线、寄生负载和电推力器）。利用该模型，本研究分析了在控制鼓、旁通阀和寄生负载三种可行控制方法下的功率控制特性，并明确了各自的特点。

本项工作的创新之处在于建立了SNEPS的完整热电耦合动态仿真模型。从热学和电学两个角度阐明了三种控制方法的功率控制机制，并通过比较分析调节范围、响应速度和能量利用效率，确定了这三种方法的应用场景。这些研究成果为空间核电推进系统的有效运行和控制提供了宝贵的参考。

系统描述：本研究选择了紧凑型气冷反应堆布雷顿循环SNEPS作为研究对象，因为它具有能量密度高、使用寿命长、不受太阳辐射影响以及适合高功率深空任务等优点。该系统由热模块和电模块组成，二者共同为推进模块供电。这种热电耦合的核动力系统是一种复杂的能量和动力系统，它集成了能量转换和管理功能，如图1所示。

数学模型：SNEPS由热模块和电模块这两个深度耦合的模块构成，其中涉及核反应、热工水力、机械动力学和磁电转换等多种时间尺度的物理过程，如图2所示。它的动态运行具有显著的非线性和强耦合性，这导致了极其复杂的动态行为，也对系统的稳定性和功率控制提出了较高要求。基于多物理过程原理，本节...

结果分析与讨论：为了满足航天器轨道推进、姿态调整以及其他任务需求，必须进行功率控制，以便实现对电推力器的推力和功率调节。本研究从核热模块和电气模块两个方面出发，提出了适用于该系统的功率控制方法，分析了不同功率控制方法下的动态特性，并确定了每种方法的最佳应用场景。

结论：本文以核热电耦合的SNEPS作为研究对象，基于多物理过程原理建立了完整的系统动态模型，研究了功率控制过程的动态特性，并通过比较研究确定了不同功率控制方法的最佳应用场景。得出的结论如下：(1) 反应堆和换热器等组件具有显著的热惯性，这就导致...

作者贡献声明：马文奎：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理。杨晓勇：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供、方法论、资金获取、概念构思。叶伟祥：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供、方法论、资金获取、概念构思。孙琪：验证、软件相关工作。曾一谦：验证、软件相关工作。杨楚平：软件相关工作、形式分析、数据整理。

未引用参考文献：[55]、[56]。

利益冲突：本手稿的提交不存在任何利益冲突，所有作者均已同意发表本手稿。

声明：我代表我的合著者声明，此处描述的工作是原创性研究，尚未在其他地方发表，也不存在全部或部分被其他地方考虑发表的情况。

利益冲突声明：? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢：作者们衷心感谢国家科技重大专项[项目编号2011ZX069]、中国国家高技术研究发展计划（863计划）[项目编号2005AA511010]、中国原子能机构核技术研究开发计划[HNKF202301(36)]、中国原子能机构核能发展计划、中国国家核电集团灵庄研究项目以及国家博士后科研基金的支持。