胡宇鵬，魯亮，向延華，李思忠，胡文軍，胡紹全

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621999）

深空探測(cè)器同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

胡宇鵬*，魯亮，向延華，李思忠，胡文軍，胡紹全

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621999）

為保證應(yīng)用于深空探測(cè)器的同位素?zé)嵩吹陌踩院涂煽啃?，開展了深空探測(cè)器同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究。通過對(duì)同位素?zé)嵩慈珘勖芷趦?nèi)各任務(wù)剖面的系統(tǒng)分析，總結(jié)得出了同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行了研究及模擬實(shí)驗(yàn)，具體包括：高溫–離心、高溫–沖擊、高溫–振動(dòng)等熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，空氣動(dòng)力學(xué)加熱、熱沖擊試驗(yàn)、發(fā)射場(chǎng)火災(zāi)事故地面模擬實(shí)驗(yàn)等異常環(huán)境安全性試驗(yàn)技術(shù)。通過以上研究建立了同位素?zé)嵩磋b定級(jí)環(huán)境可靠性試驗(yàn)及異常環(huán)境安全性試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸樯羁仗綔y(cè)器同位素?zé)嵩囱兄迫蝿?wù)提供了技術(shù)支撐。

深空探測(cè)；放射性同位素?zé)嵩?；環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)；復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)；異常環(huán)境安全性試驗(yàn)

0 引 言

放射性同位素在衰變過程中會(huì)不斷釋放熱能，利用賽貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）可將同位素衰變釋放的熱能轉(zhuǎn)換成電能，將其作為熱源或電源使用，具有體積小、壽命長(zhǎng)、不受環(huán)境影響、無需維護(hù)等特點(diǎn)。因此，放射性同位素?zé)嵩矗≧adioisotope Heat Unite，RHU）和放射性同位素電源（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）已廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)工程[1-2]。自20世紀(jì)60年代以來，美俄已在多個(gè)航天任務(wù)中成功應(yīng)用RHU和RTG，并在輸出功率等功能性指標(biāo)和設(shè)計(jì)壽命等可靠性指標(biāo)上不斷提升[3]。

我國(guó)正在積極實(shí)施月球探測(cè)工程，“嫦娥3號(hào)”探測(cè)器已使用3枚百瓦級(jí)大功率的238Pu同位素?zé)嵩碵4]?！版隙?號(hào)”所攜帶的同位素，僅僅是作為熱源使用，未來深空探測(cè)器或?qū)惭b238Pu同位素電源。為保證應(yīng)用于深空探測(cè)器的RHU/RTG在應(yīng)用過程中的可靠性和意外事件中的安全性，需要對(duì)RHU/RTG進(jìn)行大量地面環(huán)境試驗(yàn)。

美國(guó)自1961年首次成功發(fā)射載有RTG的子午儀–4A導(dǎo)航衛(wèi)星開始，便對(duì)RHU/RTG的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并制定了嚴(yán)格的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目[5]。俄羅斯對(duì)火星–96所用的命名為Angel的238Pu RHU進(jìn)行了包括模擬樣品和試驗(yàn)樣品的地面環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了其在實(shí)際運(yùn)行和緊急事件情況下熱源結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[4]。然而，我國(guó)關(guān)于RHU/RTG的地面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)還十分欠缺。

為保證應(yīng)用于未來探測(cè)器的RHU/RTG的安全性和可靠性，本文系統(tǒng)開展了針對(duì)應(yīng)用于未來深空探測(cè)器238Pu RHU的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究，可為RHU/RTG成功應(yīng)用于我國(guó)深空探測(cè)工程提供重要支撐。

1 試件狀態(tài)

RTG能夠同時(shí)輸出電能和熱能，典型的RTG由RHU、熱電轉(zhuǎn)換器和輻射散熱器3部分組成，其中RHU是其核心部件，也是環(huán)境試驗(yàn)重點(diǎn)考核部件。目前，RHU的燃料芯塊常選用238PuO2，其運(yùn)行溫度常根據(jù)所設(shè)計(jì)的發(fā)熱功率、源盒材料等具體指標(biāo)確定，一般不能超過1 500 ℃。另一方面，由于238PuO2具有放射性，在鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)考核中，常用模擬樣品代替真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于模擬樣品，其本身不會(huì)像真實(shí)產(chǎn)品那樣具有內(nèi)熱源。因此，為了使模擬樣品的結(jié)構(gòu)層（238PuO2燃料芯塊的包覆層）具有與真實(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層同樣的溫度，在環(huán)境試驗(yàn)中，需要對(duì)模擬樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峒虞d。

在本文針對(duì)不同發(fā)熱功率的RHU鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)中，需要對(duì)模擬樣品進(jìn)行熱加載。熱加載時(shí)以其最外層的溫度為考核標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)發(fā)熱功率大小確定標(biāo)準(zhǔn)試件最外層的目標(biāo)溫度。

2 任務(wù)剖面環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

RHU在整個(gè)壽命周期可能經(jīng)歷的環(huán)境如圖 1所示。主要包括：特殊類型放射性物質(zhì)的匹配；儲(chǔ)存時(shí)可能經(jīng)歷的溫濕度、熱循環(huán)等氣候環(huán)境；運(yùn)輸時(shí)可能經(jīng)歷的大氣壓力變化以及陸、海、空的運(yùn)輸力學(xué)環(huán)境；之后在發(fā)射過程中經(jīng)受的更為嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境。

圖 1 同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)Fig. 1 Eualification environmental test of RHU

此外，空間核安全極易挑動(dòng)人們敏感的神經(jīng)，空間核安全性問題已成為各國(guó)政府和民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。RHU在全壽命周期活動(dòng)涉及的包括發(fā)射場(chǎng)火災(zāi)、再入空氣動(dòng)力熱、撞擊地面或水面等異常環(huán)境的安全性也需嚴(yán)格考核。表 1列出了美俄安全性試驗(yàn)項(xiàng)目。從表可知，美國(guó)對(duì)RHU安全性驗(yàn)證比較關(guān)注其在發(fā)射場(chǎng)事故環(huán)境下的安全性，俄羅斯則更偏重再入階段的安全性驗(yàn)證。

本文重點(diǎn)研究RHU從儲(chǔ)存、運(yùn)輸、發(fā)射、運(yùn)行等任務(wù)剖面的環(huán)境可靠性試驗(yàn)及各剖面下可能出現(xiàn)的異常環(huán)境安全性試驗(yàn)技術(shù)。特殊類型放射性物質(zhì)的匹配試驗(yàn)按國(guó)家相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行即可。

2.1 儲(chǔ)存、運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)

RHU儲(chǔ)存狀態(tài)下的溫濕度和熱循環(huán)氣候環(huán)境試驗(yàn)與一般產(chǎn)品并無較大差別。在RHU的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，可能經(jīng)歷公路、鐵路、輪船、飛機(jī)等常見的陸、海、空運(yùn)輸方式，因此會(huì)經(jīng)歷大氣壓變化、線性過載、振動(dòng)、沖擊等運(yùn)輸力學(xué)環(huán)境。

表 1 美俄同位素?zé)嵩窗踩栽囼?yàn)項(xiàng)目Table 1 RHU safety testing item of the USA and RUS

考慮到發(fā)射過程中的力學(xué)環(huán)境條件比儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境更為嚴(yán)苛，為了試驗(yàn)的易實(shí)現(xiàn)性，在儲(chǔ)運(yùn)階段暫不對(duì)模擬樣品進(jìn)行熱加載。因此，儲(chǔ)運(yùn)階段的氣候環(huán)境試驗(yàn)和力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)都屬于單因素環(huán)境試驗(yàn)，都可在相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，主要包括溫濕度實(shí)驗(yàn)室、溫度–高度箱、沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)、振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)。

2.2 發(fā)射、運(yùn)行環(huán)境試驗(yàn)

RHU在發(fā)射及運(yùn)行狀態(tài)下經(jīng)受的力學(xué)環(huán)境更為苛刻，包括火箭發(fā)射誘發(fā)的瞬態(tài)力學(xué)環(huán)境；由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不均勻產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境；運(yùn)載火箭在大氣中飛行，結(jié)構(gòu)與大氣相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境；火箭級(jí)間分離和整流罩拋罩分離產(chǎn)生的高頻沖擊力學(xué)環(huán)境；入軌后由軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整等事件產(chǎn)生的加速度環(huán)境。概括起來，RHU在發(fā)射和空間運(yùn)行時(shí)所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境大致可分為：準(zhǔn)靜態(tài)加速度環(huán)境、正弦振動(dòng)環(huán)境、隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境及沖擊環(huán)境。如前所述，在RHU鑒定級(jí)發(fā)射、運(yùn)行環(huán)境試驗(yàn)中，需對(duì)模擬樣品進(jìn)行熱加載。因此，該剖面下的環(huán)境試驗(yàn)屬于熱、力同時(shí)加載的熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)。相比熱或力的單因素環(huán)境試驗(yàn)，熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)鼙┞冻鰡我灰蛩卦囼?yàn)不能發(fā)現(xiàn)的問題[6-7]。目前，關(guān)于RHU的熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)還未見報(bào)道。

針對(duì)RHU的熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)需開展離心、沖擊、振動(dòng)環(huán)境下模擬樣品的溫度加載技術(shù)研究。經(jīng)過調(diào)研加熱貼片、溫度箱、輻射燈陣、加熱爐等工程上常見的加熱裝置的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并綜合考慮試驗(yàn)易操作性和試驗(yàn)效率，最終確定高溫加熱爐為熱加載設(shè)備。根據(jù)沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)、振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)的設(shè)備特點(diǎn)，進(jìn)一步可確定采用敞口罩式高溫加熱爐用于高溫–振動(dòng)和高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)中的熱加載；采用閉口罩式高溫加熱爐用于高溫–離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)的熱加載。其中，敞口罩式高溫加熱爐內(nèi)布置了管狀加熱器進(jìn)行輻射加熱，爐頂部安置了風(fēng)機(jī)，以加強(qiáng)爐內(nèi)對(duì)流傳熱，從而進(jìn)一步增強(qiáng)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性；閉口罩式高溫加熱爐內(nèi)部安置了裸露電阻絲進(jìn)行直接輻射加熱即可。在高溫–沖擊、高溫–振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)中，敞口罩式高溫加熱爐懸掛于沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)上對(duì)模擬樣品加熱；在高溫–離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)中，閉口罩式高溫加熱爐則直接固定在離心機(jī)上對(duì)產(chǎn)品加熱。

在確定各類熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)的熱加載方式后，還需對(duì)試驗(yàn)夾具進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。對(duì)于高溫–沖擊和高溫–振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)，相應(yīng)的試驗(yàn)夾具固定在沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，并伸向加熱爐內(nèi)部從而將試驗(yàn)產(chǎn)品固定在爐內(nèi)。值得注意的是，試驗(yàn)夾具需考慮能將沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)的力學(xué)載荷準(zhǔn)確傳遞給模擬樣品，因而夾具不易過高。由于高溫加熱爐固定在沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)正上方，加熱爐又為敞口設(shè)計(jì)，沖擊碰撞試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面受加熱爐輻射和高溫樣品通過夾具的導(dǎo)熱極易超過正常工作溫度，從而影響設(shè)備的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備故障。因此，試驗(yàn)夾具的選材宜采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的鈦合金，夾具中段還需設(shè)計(jì)水箱進(jìn)行主動(dòng)水冷熱防護(hù)。對(duì)于高溫–離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)夾具固定模擬樣品的安裝盤局部可鏤空，并使其厚度盡可能的低，以擴(kuò)大模擬樣品直接受輻射的面積，以及降低夾具熱容。

在完成熱–力復(fù)合環(huán)境熱加載技術(shù)及試驗(yàn)夾具合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需開展熱–力復(fù)合環(huán)境測(cè)試技術(shù)的研究。另外，還需根據(jù)模擬樣品的材質(zhì)、樣品與加熱爐及夾具的相對(duì)位置、熱載荷、力載荷條件等信息確定溫度傳感器、高溫加速度計(jì)等正確的安裝方式。

2.3 異常環(huán)境安全性試驗(yàn)

安全性是研制同位素裝置最為優(yōu)先考慮的因素。美俄在航天任務(wù)中應(yīng)用RHU/RTG過程中均出現(xiàn)過3次意外事故，且所有事故均發(fā)生在發(fā)射或再入階段。雖然這些事故沒有造成較為嚴(yán)重的核泄漏，但美俄都制定了嚴(yán)格的安全條件測(cè)試項(xiàng)目。因此，同位素?zé)嵩葱柽M(jìn)行異常環(huán)境安全性試驗(yàn)。主要包括：模擬發(fā)射場(chǎng)火災(zāi)事故的火燒試驗(yàn)、模擬再入大氣時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)加熱試驗(yàn)、模擬高速撞擊障礙物的高速撞擊試驗(yàn)、模擬墜落入海面的熱沖擊試驗(yàn)、模擬墜落后長(zhǎng)期浸沒在海底的壓力試驗(yàn)。同樣的，在進(jìn)行異常環(huán)境安全性試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)RHU模擬樣品進(jìn)行熱加載。

發(fā)射場(chǎng)火災(zāi)事故地面模擬試驗(yàn)根據(jù)火箭推進(jìn)劑的形態(tài)可分為液體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑火燒試驗(yàn)。試驗(yàn)前，采用高溫加熱爐對(duì)模擬樣品進(jìn)行預(yù)熱，然后再將其轉(zhuǎn)入液體推進(jìn)劑或固體推進(jìn)劑火燒場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。此外，RHU在火箭發(fā)射過程的意外爆炸中可能會(huì)落入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，此時(shí)火焰溫度近似于火焰絕熱溫度，高達(dá)3 372 ℃，需采用電弧加熱的方式模擬該場(chǎng)景。再入過程的氣動(dòng)熱試驗(yàn)和墜落入海面的熱沖擊試驗(yàn)仍然可采用高溫加熱爐對(duì)樣品進(jìn)行加熱。其中，在樣品被加熱到目標(biāo)溫度后，迅速將其轉(zhuǎn)移至人工海水槽內(nèi)即可完成熱沖擊試驗(yàn)。高速撞擊試驗(yàn)在火炮內(nèi)完成，并根據(jù)炮筒尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的電加熱彈托，在火炮動(dòng)作前上電加熱至目標(biāo)溫度，然后斷電后將其打出。海底壓力試驗(yàn)在海洋壓力試驗(yàn)設(shè)備中完成即可。

3 任務(wù)剖面環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

結(jié)合前面分析，圍繞RHU所經(jīng)歷的包括儲(chǔ)存、運(yùn)輸、發(fā)射、空間運(yùn)行以及可能遭遇到的異常事故等任務(wù)剖面，RHU環(huán)境試驗(yàn)種類歸納如表 2所示。

表 2 同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 RHU environmental test item

中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所針對(duì)深空探測(cè)器RHU進(jìn)行了同位素238Pu熱源儲(chǔ)運(yùn)、運(yùn)行及事故環(huán)境的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究，建立了相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰Γ⒁验_展了一系列相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)（見表 2）。

同位素?zé)嵩喘h(huán)境可靠性試驗(yàn)部分試驗(yàn)場(chǎng)景見圖 2。

圖 2 同位素?zé)嵩喘h(huán)境可靠性試驗(yàn)場(chǎng)景Fig. 2 Eualification environmental scenarios of RHU

同位素?zé)嵩串惓－h(huán)境安全性試驗(yàn)部分試驗(yàn)場(chǎng)景見圖 3。

圖 3 同位素?zé)嵩串惓－h(huán)境安全性試驗(yàn)場(chǎng)景Fig. 3 Abnormal environmental scenarios of RHU

4 結(jié) 論

為保證未來深空探測(cè)器同位素?zé)嵩吹陌踩院涂煽啃?，?duì)同位素?zé)嵩锤魅蝿?wù)剖面涉及的環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行了分析，研究了高溫–離心、高溫–沖擊、高溫–振動(dòng)等熱–力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，及發(fā)射場(chǎng)火災(zāi)事故地面模擬試驗(yàn)、空氣動(dòng)力學(xué)加熱試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)等異常環(huán)境安全性試驗(yàn)技術(shù)，建立了同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?，并進(jìn)行了某些模擬環(huán)境試驗(yàn)，為探測(cè)器同位素?zé)嵩囱兄迫蝿?wù)提供了技術(shù)支撐。

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通信地址：四川省綿陽市919信箱402分箱（621999）

電話：（0816）2482483

E-mail：hjhuyp@caep.cn

Environment Testing Technology of Radioisotope Heat Source for Deep Space Exploration

HU Yupeng*，LU Liang，XIANG Yanhua，LI Sizhong，HU Wenjun，HU Shaoquan
（Institute of System Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

In order to ensure security and reliability of the radioisotope heat source for deep space exploration，the research on the environment testing technology of the radioisotope heat source is conducted. The test items are concluded by analyzing the mission profile during the whole life of the radioisotope heat source for deep space exploration. The high temperature-centrifuge，high temperature-impact，high temperature-vibration compound environment testing technologies are studied，and the technologies of ground simulation test for launch site fire accident，aerodynamic heating and thermal shock is also discussed in detail. The capacity of the environment reliability test and abnormal condition security test for the radioisotope heat source has been set up. Then，the environment test is performed which can provide support for the research of radioisotope heat source for deep space exploration.

deep space exploration；radioisotope heat source；environment testing technology；compound environment test；abnormal condition security test

V442

A

2095-7777（2017）02-0138-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.006

胡宇鵬（1987– ），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：朱魯青]

胡宇鵬，魯亮，向延華，等. 深空探測(cè)器同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（2）：138-142.

Reference format: Hu Y P，Lu L，Xiang Y H，et al. Environment testing technology of radioisotope heat source for deep space exploration [J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（2）：138-142.

2017-02-20

2017-03-24

某同位素?zé)嵩喘h(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目；中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所授權(quán)項(xiàng)目