CN103114979B - 一种推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种推进装置，属于核技术领域。该装置包括：装有冷却剂的冷却剂箱、用于产生核热能的核动力模块、核电转换器、与核电转换器电连接的电机、与电机电连接的压缩机、与压缩机的入口连通的装有推进剂的推进剂箱以及与压缩机的出口连通的喷嘴，核动力模块上设有用于将核热能输出的输热管，输热管的输入端与冷却剂箱连通，输热管的输出端与核电转换器的入口连通。本发明通过上述技术方案，使得电机为压缩机提供电能，使得推进剂被压缩机压缩后成为高速的等离子体从喷嘴喷出，获得了的推力，实现了将核动力模块产生的核热能转换为火箭的推力，并且基于核能获得的推力大，推力装置的效率高，增加了火箭所能达到的最大速度和火箭运行的时间。
Description
技术领域
本发明涉及核技术领域，特别涉及一种推进装置。
背景技术
随着科学技术的进步，人类对深空探测的步伐日益加快，例如对月球资源的勘探、火星生命的迹象观测、太阳系以及星系外太空旅行等。而执行深孔探测的任务首先必要的任务是要通过运载火箭将小型探测器、宇航员送至探测的目的地。
目前，人类运载火箭的推进装置是基于化学燃料获得推力。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术中的运载火箭的推进装置基于化学燃料获得推力，由于这样的推进装置功率低，造成运载火箭所能达到的最大速度低，旅途的可运行时间较短。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种推进装置。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种推进装置，所述装置包括：
装有冷却剂的冷却剂箱、用于产生核热能的核动力模块、核电转换器、与所述核电转换器电连接的电机、与所述电机电连接的压缩机、与所述压缩机的入口连通的装有所述推进剂的推进剂箱以及与所述压缩机的出口连通的喷嘴，所述核动力模块上设有用于将所述核热能输出的输热管，所述输热管的输入端与所述冷却剂箱连通，所述输热管的输出端与所述核电转换器的入口连通。
优选地，所述核动力模块包括核反应堆容器、设于所述核反应堆容器内的若干个用于产生核热的核燃料棒、套设于所述核反应堆容器外的第一壳体、设于所述第一壳体和所述核反应堆容器之间的若干个控制器，若干个所述控制器绕所述核燃料棒间隔布置，每个所述控制器上设有用于减慢所述核燃料棒的核反应速度的反应控制部、以及用于控制所述反应控制部与所述核燃料棒的相对位置的控制部件，所述反应控制部上设有中子吸收体。
进一步地，所述核燃料棒包括第二壳体、分别设于所述第二壳体轴向两端的第一隔热块和第二隔热块、设于所述第二壳体内的弹簧和用于发生核反应的燃料块、以及套设于所述第二壳体外的输热管，所述弹簧的一端与所述第二隔热块相抵，所述弹簧的另一端将所述燃料块压抵在所述第一隔热块上，且所述第一隔热块的与所述燃料块相抵的一端的外径小于所述第二壳体的内径，所述第二隔热块的与所述弹簧相抵的一端的外径小于所述第二壳体的内径，所述燃料块的外径小于所述第二壳体的内径。
优选地，所述核电转换器包括转换器本体，所述转换器本体内设有用于收集正电荷的第一电极和用于收集负电荷的第二电极，所述转化器本体上设有用于在所述第一电极和所述第二电极之间产生电磁场的电流线圈，所述核电转换器的入口设于所述转换器本体上，所述电机分别与所述第一电极和所述第二电极电连接。
优选地，所述装置还包括用于为核电转换器和所述压缩机进行散热的冷却管道，所述冷却管道的一端通过第一泵与所述冷却剂箱连通，所述冷却管道的另一端通过第二泵与所述输热管的输入端连通。
进一步地，所述冷却管道上还设有第一换热器和第二换热器，所述第一换热器位于所述核电转换器与所述第一泵之间，所述第二换热器位于所述核电转换器与所述第二泵之间。
更进一步地，所述冷却管道上还设有第一散热器和第二散热器，所述第一散热器位于所述压缩机与所述第一换热器之间，所述第二散热器位于所述压缩机与所述第二换热器之间。
优选地，核电转换器的入口上还设有盐溶液入口。
优选地，所述装置还包括用于屏蔽所述核动力模块产生的核辐射的第一屏蔽层，所述核动力模块设于所述第一屏蔽层内。
进一步地，所述装置还包括第二屏蔽层，所述核动力模块、所述核电转换器和所述冷却剂箱均设于所述第二屏蔽层内。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置核电转换器将核动力模块产生的核热能转换为电能，并将该电能传输给电机，从而电机可以为压缩机提供电能，使得压缩机可以对进入压缩机内的推进剂进行压缩，压缩后的推进剂成为高速的等离子体从喷嘴喷出，获得了的推力，实现了将核动力模块产生的核热能转换为火箭的推力，并且基于核能获得的推力大，推进装置的效率高，增加了火箭所能达到的最大速度和火箭运行的时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种推进装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的核动力模块与核电转换器连接的结构示意图；
图3本发明实施例提供的核动力模块的结构示意图；
图4本发明实施例提供的核燃料棒的结构示意图。
附图中，各标号所代表的组件列表如下：
1核动力模块；11输热管；12第一屏蔽层；13第二屏蔽层；14核反应堆容器；15核燃料棒；151第二壳体；152第一隔热块；153第二隔热块；154弹簧；155燃料块；156探测管；16第一壳体；17控制器；171反应控制部；172控制部件；18慢化剂；19反射层；2核电转换器；21转换器本体；22核电转换器的入口；23第一电极；24第二电极；25盐溶液入口；26排管；3电机；31电缆；4压缩机；5推进剂箱；6喷嘴；7冷却管道；71第一泵；72第二泵；8冷却剂箱；91第一换热器；92第二换热器；93第一散热器；94第二散热器；10支架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本发明实施例提供了一种推进装置，参见图1和图2，该装置包括：
装有冷却剂的冷却剂箱8、用于产生核热能的核动力模块1、核电转换器2、与核电转换器2电连接的电机3、与电机3电连接的压缩机4、与压缩机4的入口连通的装有推进剂的推进剂箱5以及与压缩机4的出口连通的喷嘴6，核动力模块1上设有用于将核热能输出的输热管11，输热管11的输入端与冷却剂箱8连通，输热管11的输出端与核电转换器的入口22连通。
具体地，冷却剂可以为氢气或者水等。
具体地，在本实施例中，推进剂可以为汞液或氖气。
优选地，参见图3，在本实施例中，核动力模块1可以包括核反应堆容器14、设于核反应堆容器14内的若干个用于产生核热的核燃料棒15、套设于核反应堆容器14外的第一壳体16、设于第一壳体16和核反应堆容器14之间的若干个控制器17，若干个控制器17绕核燃料棒15间隔布置，每个控制器17上述而后又用于控制核燃料棒15的核反应速度的反应控制部171、以及用于控制反应控制部171与核燃料棒的相对位置的控制部件172，反应控制部171上设有中子吸收体。显然地，核动力模块1并不限于前述结构，本实施例中仅以此为例，并不对该核动力模块1的结构作限制，本领域的技术人员也可以采用其他结构，只要能够产生核热能即可。
具体地，在本实施例中，控制器17呈柱状，核燃料棒15也可以为柱状。
具体地，在本实施例中，中子吸收体可以为硼合金中子吸收。
具体地，在本实施例中，反应控制部171可以为一个面，也可以是扇形区域，当反应控制部171为一个面时，控制器17由耐高温复合材料制成，中子吸收体涂覆在耐高温符合材料上，则该涂覆有中子吸收体的部分则为反应控制部171；当反应控制部171为扇形区域时，控制器17由中子吸收体和耐高温符合材料拼接而成。具体地，当所有的控制器17的反应控制部171正对着核燃料棒15时，核反应速度最慢；当所有的控制器17的反应控制部171都不对着核燃料棒15时，核反应速度最快。
优选地，核动力模块1还包括慢化剂18，慢化剂18填充在核燃料棒15和核反应堆容器14之间。通过设置慢化剂18，可以降低核反应时快中子的飞行速度，使得核燃料可以更好地进行链式反应。
具体地，在本实施例中，慢化剂18可以为石墨。在其他实施例中，慢化剂18还可以为重水或轻水。
优选地，核动力模块1还包括覆盖在第一壳体16内壁上的反射层19。通过设置反射层19，可以使在核反应时，从核反应堆容器14中泄露出来的中子改变方向回到核反应堆容器14中，方便了核反应的控制。
具体地，反射层19可以为氧化被层或者氧化错层。
进一步地，参见图4，在本实施例中，核燃料棒15可以包括第二壳体151、分别设于第二壳体151轴向两端的第一隔热块152和第二隔热块153、设于第二壳体151内的弹簧154和用于发生核反应的燃料块155；弹簧154的一端与第二隔热块153相抵，弹簧154的另一端将燃料块155压抵在第一隔热块152上，且第一隔热块152的与燃料块155相抵的一端的外径小于第二壳体151的内径，第二隔热块153的与弹簧154相抵的一端的外径小于第二壳体151的内径，燃料块155的外径小于第二壳体151的内径，输热管11套设于第二壳体151外。具体地，输热管11用于将每个核燃料棒15产生的核热能运输出去。
具体地，通过使第一隔热块152的与燃料块155相抵的一端的外径小于第二壳体151的内径，第二隔热块153的与弹簧154相抵的一端的外径小于第二壳体151的内径，燃料块155的外径小于第二壳体151的内径，从而使第一隔热块152与第二壳体151之间、第二隔热块153与第二壳体151之间、燃料块155与第二壳体151之间都存在间隙，该间隙为热膨胀提供了缓冲的空间，减小了核裂变时产生的热膨胀效应，防止了核燃料棒15的变形。
具体地，在本实施例中，在使用时，输热管11内流动有冷却剂，通过流动的冷却剂将燃料块产生的核热能运输出去。
优选地，该核燃料棒15还包括套设于输热管11外的探测管156，探测管156内填充有用于探测输热管11泄露的探测气体。通过设置探测管156，探测管156内填充有探测气体，可以及时监测输热管11是否发生了泄漏，增加了核燃料棒15的安全性。
具体地，在本实施例中，该探测气体为二氧化碳。在其他实施例中，该探测气体还可以为一氧化碳。
具体地，探测管156外涂覆有慢化剂。通过在探测管156外涂覆慢化剂，可以降低核反应时快中子的飞行速度，使得核燃料可以更好地进行链式反应。并且在探测管156内设有探测气体，可以作为输热管11内的冷却剂与探测管156外的慢化剂的隔热层。
具体地，第一隔热块152和第二隔热块153为氧化铝纤维隔热块。
优选地，参见图2，核电转换器2包括转换器本体21，转换器本体21内设有用于收集正电荷的第一电极23和用于收集负电荷的第二电极24，转换器本体21上设有用于在第一电极23和第二电极24之间产生电磁场的电流线圈，核电转换器的入口22设于转换器本体21上，电机3分别与第一电极23和第二电极24电连接。具体地，通过电流线圈在第一电极23和第二电极24之间产生电磁场，使进入转换器本体内的带电粒子发生偏转，使带正电荷的粒子被第一电极23吸收，带负电荷的粒子被第二电极24吸收。显然地，该核电转换器2并不限于前述结构，也可以为热蒸汽式电机，本实施例中仅以此为例，并不对该核电转换器2的结构作限制，本领域的技术人员也可以采用其他结构，只要能够将核热能转换为电能即可。
具体地，第一电极23和第二电极24平行设于转换器本体21内。具体地，电机3通过电缆31与第一电极23和第二电极24电连接。
优选地，再次参见图2，该装置还包括用于为核电转换器2和压缩机4进行散热的冷却管道7，冷却管道7的一端通过第一泵71与冷却剂箱8连通，冷却管道7的另一端通过第二泵72与输热管11的输入端连通。具体地，冷却管道分别设于转换器本体外和压缩机外。通过设置冷却管道7，冷却剂箱8中的冷却剂在第一泵71的作用下流入冷却管道，在流通的过程中，会对工作中的核电转换器2和压缩机4进行散热，且该冷却剂在第二泵72的作用下，会进入输热管11内被再次利用。
优选地，冷却管道7上还设有第一换热器91和第二换热器92，第一换热器91位于核电转换器2与第一泵71之间，第二换热器92位于核电转换器2与第二泵72之间。通过设置第一换热器91和第二换热器92，可以进一步对装置进行散热。
进一步地，冷却管道7上还设有第一散热器93和第二散热器94，第一散热器93位于压缩机4与第一换热器91之间，第二散热器94位于压缩机4与第二换热器92之间。通过设置第一换热器93和第二换热器94，可以进一步对装置进行散热。
优选地，核电转换器的入口22上还设有盐溶液入口25。通过设置盐溶液入口25，可以向转换器本体21内添加盐溶液，从而可以提高第一电极24和第二电极25对正负电荷的收集量，提高了核电转化效率。
具体地，在本实施例中，盐溶液可以为钠溶液或者钾溶液。
优选地，再次参见图2，转换器本体上21设有用于排除转换器本体21内产生的残渣的排管26，排管26与冷却管道7连通。通过设置排管26，可以将没有被第一电极23和第二电极24吸收的等离子体排到冷却管道7内，并在第二泵72的作用下进入输热管11，从而被再利用。
优选地，该装置还包括用于屏蔽核辐射的第一屏蔽层12，核动力模块1设于第一屏蔽层12内。
具体地，第一屏蔽层12由硼高分子复合材料制成。
进一步地，该装置还包括第二屏蔽层13，核动力模块1、核电转换器2和冷却剂箱8均设于第二屏蔽层13内。通过设置第二屏蔽层13，屏蔽了核动力模块1、核电转换器2产生的漏核辐射及电辐射，提高了装置的安全性。
具体地，第二屏蔽层13由石墨制成，且石墨表面敷有铜复合材料。
可选地，该装置还包括支架10，第二屏蔽室13、电机3、压缩机4、推进剂箱5和喷嘴6均固定在支架10上。
具体地，在本实施例中，电机3还与第一换热器91、第二换热器92、第一散热器93和第二散热器94电连接，从而为第一换热器91、第二换热器92、第一散热器93和第二散热器94的工作提供电能。
下面再次结合图1说明本发明实施例提供的一种推进装置的工作过程。
冷却剂箱8中的冷却剂进入输热管11后，该冷却剂会携带核动力模块1产生核热能，并且该冷却剂会在该高温的核热能的作用下变成等离子体流，该等离子体流进入转换器本体21内时其中的带正电的粒子（正电荷）和带负电的离子（负电荷）会分别被第一电极23和第二电极24吸收，从而将核热能转化为电能，该电能被传递给电机3，从而使得电机3可以为压缩机4提供电能，从而使得压缩机4对进入压缩机4内的推进剂进行压缩，压缩后的推进剂成为高速的等离子体从喷嘴6喷出，从而获得了的推力。同时没有被第一电极23和第二电极24吸收的粒子可以通过排管进入冷却管道7内，从而进入输热管11内被再次利用。
在本实施例中，冷却剂箱8中的冷却剂除了直接进入输热管11中，还会在第一泵12的作用下，经过三种途径经冷却管道进入输热管11中：第一种途径是冷却剂经第一换热器91、设于核电转换器2外的冷却管道7、第二换热器92进入输热管11；第二种途径是冷却剂经第一换热器91、设于压缩机4外的冷却管道7、第二换热器92进入输热管11；第三种途径是冷却剂经第一换热器91、第一散热器93、设于压缩机4外的冷却管道7、第二散热器94、第二换热器92进入输热管11。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置核电转换器将核动力模块产生的核热能转换为电能，并将该电能传输给电机，从而电机可以为压缩机提供电能，使得压缩机可以对进入压缩机内的推进剂进行压缩，压缩后的推进剂成为高速的等离子体从喷嘴喷出，获得了的推力，实现了将核动力模块产生的核热能转换为火箭的推力，并且基于核能获得的推力大，推进装置的效率高，增加了火箭所能达到的最大速度和火箭运行的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种推进装置，其特征在于，所述装置包括：装有冷却剂的冷却剂箱、用于产生核热能的核动力模块、核电转换器、与所述核电转换器电连接的电机、与所述电机电连接的压缩机、与所述压缩机的入口连通的装有推进剂的推进剂箱以及与所述压缩机的出口连通的喷嘴，所述核动力模块上设有用于将所述核热能输出的输热管，所述输热管的输入端与所述冷却剂箱连通，所述输热管的输出端与所述核电转换器的入口连通；
所述核电转换器包括转换器本体，所述转换器本体内设有用于收集正电荷的第一电极和用于收集负电荷的第二电极，所述转换器本体上设有用于在所述第一电极和所述第二电极之间产生电磁场的电流线圈，所述核电转换器的入口设于所述转换器本体上，所述电机分别与所述第一电极和所述第二电极电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核动力模块包括核反应堆容器、设于所述核反应堆容器内的若干个用于产生核热的核燃料棒、套设于所述核反应堆容器外的第一壳体、设于所述第一壳体和所述核反应堆容器之间的若干个控制器，若干个所述控制器绕所述核燃料棒间隔布置，每个所述控制器上设有用于减慢所述核燃料棒的核反应速度的反应控制部、以及用于控制所述反应控制部与所述核燃料棒的相对位置的控制部件，所述反应控制部上设有中子吸收体。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述核燃料棒包括第二壳体、分别设于所述第二壳体轴向两端的第一隔热块和第二隔热块、设于所述第二壳体内的弹簧和用于发生核反应的燃料块、以及套设于所述第二壳体外的输热管，所述弹簧的一端与所述第二隔热块相抵，所述弹簧的另一端将所述燃料块压抵在所述第一隔热块上，且所述第一隔热块的与所述燃料块相抵的一端的外径小于所述第二壳体的内径，所述第二隔热块的与所述弹簧相抵的一端的外径小于所述第二壳体的内径，所述燃料块的外径小于所述第二壳体的内径。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于为核电转换器和所述压缩机进行散热的冷却管道，所述冷却管道的一端通过第一泵与所述冷却剂箱连通，所述冷却管道的另一端通过第二泵与所述输热管的输入端连通。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述冷却管道上还设有第一换热器和第二换热器，所述第一换热器位于所述核电转换器与所述第一泵之间，所述第二换热器位于所述核电转换器与所述第二泵之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述冷却管道上还设有第一散热器和第二散热器，所述第一散热器位于所述压缩机与所述第一换热器之间，所述第二散热器位于所述压缩机与所述第二换热器之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核电转换器的入口上还设有盐溶液入口。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于屏蔽所述核动力模块产生的核辐射的第一屏蔽层，所述核动力模块设于所述第一屏蔽层内。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二屏蔽层，所述核动力模块、所述核电转换器和所述冷却剂箱均设于所述第二屏蔽层内。
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