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“嫦娥三号”总设计师:中国完全具备火星探测能力

来源:瞭望东方周刊 作者:吴铭

  作为中国航天领域下一个需要集中突破的领域,核飞船的成败可能影响中国人在未来空间开拓中的地位

  《瞭望东方周刊》记者吴铭/北京报道

  根据2014年中俄之间的一系列频繁交往,并以乌克兰等地缘争端为背景,俄罗斯战略和技术分析中心专家瓦西里·卡申日前发表文章认为,中俄军技合作方面或出现新的涉及更为敏感领域的维度与视角,比如核潜艇的设计与建造,乃至“中方感兴趣的航天器核反应堆技术”。

  “核动力航天器”这个关键词,显示了中国人对于航天探索的更远大计划。

  中国空间技术研究院研究员、“嫦娥三号”总设计师孙泽洲对《瞭望东方周刊》说:“从技术发展上来讲,如果以后要对比如木星这些距离太阳更远的行星进行探测,完全依靠太阳能不太现实,这时对空间核动力的应用就会有比较大的需求。”

  中国的核动力航天器研发计划,自上世纪70年代至今已超过30年。如今,它正在进行对应用的最后准备。

  中国需要核动力飞船

  此前在2013年12月初发射的“嫦娥三号”,并没有像早前人们预料的那样使用核电池。

  孙泽洲说,在“嫦娥三号”的论证过程中,也对是否使用核电池进行过详细分析和论证,但最终没有使用,“只是使用了同位素热源,也就是核热源。”

  所谓核电池又叫“放射性同位素电池”,它主要通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断放出的具有热能的射线转变为电能。而热源只提供热能。

  核电池体积小,硬币大小就可以具有比普通化学电池上百万倍的效能。自上世纪60年代开始,美国在“阿波罗”等计划中就使用了核电池,2012年抵达火星的“好奇号”火星车上的核电池,据称可以使用14年。

  2004年,中国原子能科学研究院正式启动航天用同位素电池研发,2006年研制出中国第一颗同位素电池。

  不过,与真正的空间核反应堆相比,核电池无论从技术还是应用来讲,都已经比较成熟。

  目前对于中国研发空间核反应堆的最权威消息,来自2009年国家能源局能源节约和科技装备司的信息:中国于20世纪70年代开始空间核反应堆的研究工作,后一度中止。

  “九五”期间,空间核反应堆研究被列入总装备部预先研究项目,由原子能院和空间技术研究院共同承担,完成了空间核反应堆概念设计。

  “十五”起,中国人开始了空间核反应堆初步设计和关键技术攻关,在设计技术、制造技术、试验技术以及安全研究等方面均取得一定突破。目前项目处于从技术设计到施工设计的过渡阶段,正进行设备和部件的研制和单项试验。

  当时公布的计划是“2015年完成地面试验,2020年定型,2025年发射百千瓦级核反应堆试验星”,进行在轨演示验证,掌握超大功率空间核反应堆电源技术。

  2013年12月,作为一项公开的科研成果,在中国空间技术研究院502所和北京空间飞行器总体设计部合作的“863”课题“核动力航天器总体技术和安全研究”中,顺利完成了“空间大功率核电推进方案”研究工作。

  这个课题组提出了载人火星飞船的核动力系统方案,并对核动力飞船在火星的起降进行了设计与优化。

  孙泽洲称,中国目前完全具备火星探测能力,包括运载火箭发射能力、测控能力等多个方面。

  他进一步分析说,即将研制成功的“长征五号”可以胜任近地小行星、金星、木星的环绕探测;可以支撑火星的无人着陆探测,但对于火星的采样返回,则需要比“长征五号”运载能力更大的火箭。

  孙泽洲认为,未来15年内中国会有对木星的探测规划。而在未来10年内,对核动力航天技术的需求会更加迫切。

  同时,他强调,空间核应用的安全性应排在第一位。“一旦发射任务出现问题,要确保不出现核泄漏。”

  核科学与技术专家、中科院院士陈达同样认为,空间核应用安全问题非常重要。“苏联的核能航天器就曾掉下来过,人们就遭殃了。”他对《瞭望东方周刊》说。

  诸多难题待解

  美国、苏联的核动力航天器曾多次发生意外,尤为著名的是苏联的核动力卫星“宇宙—954”、“宇宙—1402”的核反应堆与母体脱离后,助推级发生故障,没能把反应堆送入预定轨道。

  1978年1月24日,“宇宙—954”的放射性残骸散落在加拿大北部的无人冻土带,放射性物质污染了地表,加拿大政府评估损失达1200万美元。

  携带核动力装置的苏联雷达侦察卫星“宇宙—1402”在1982年12月28日失去控制,好在核动力部分后来在南大西洋中间阿森松岛西南上空进入稠密层时烧毁。

  陈达说:“国际上一些国家在做空间核动力应用方面的研究,也不是一帆风顺的,这比较复杂。”

  空间核反应堆带来的大问题体现在核反应、核辐射对航天器启动、调控、刹车等方面的影响。

  尤其对于未来的核动力飞船而言,需要解决核反应堆的设计、制造、控制、冷却、辐射屏蔽、排气污染、高效率热电转换等一系列技术难题。

  特别是核反应堆产生的辐射对宇航员的健康会构成很大威胁,这就需要飞船必须对核辐射进行屏蔽保护,确保宇航员和船载货物不受辐射以及来自反应堆高热的影响,但这样将大大增加探测器的重量。

  陈达说,空间核应用过程中,核反应衰变不存在问题,但在真空、超低温的环境下,对核反应材料、能量输送材料有很高的要求。

  中国已经进行了几十年的核能研究,为航天核动力研究作了不少铺垫,“太空中核动力应用比地面上复杂很多,问题是多方面的,主要包括材料问题、技术问题、转换方式问题、新的组建的问题等多方面问题。具体表现在比如怎样把核能转换为电能。”他说。

  孙泽洲则认为,从实际应用来讲,核能的效率、核能的热排散等方面会有很大挑战。在地面上核反应冷却较为容易解决,空间核反应堆面临现实的散热冷却难题。

  而在绕月探测工程、“嫦娥一号”系统总指挥兼总设计、中国工程院院士叶培建看来,空间核动力的研发和使用有很多困难。

  “地面上使用核能,可以不考虑体积、能耗,冷却也比较好办。太空中各种条件都受限制,因此,把核能用到太空中,必须克服空间所带来的一些问题,比如核元素的体积、功耗等方面。要找出和地面上不同的获取核动力的方法。”叶培建告诉本刊,中国空间技术研究院的相关课题组正在研究这方面的问题。

  而导弹总体设计专家、中科院院士刘宝镛对《瞭望东方周刊》称,空间核动力应用“难度在于把核动力发动机研制出来”。

  但无论如何,叶培建认为,空间核动力应用是中国人必须要做的研究方向。“首先,未来更深层次的深空探测,太阳起不到作用,要靠核动力;第二,近地轨道发射大功率火箭还是要靠核动力。”

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