CN109677640B - 基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，包括：空间核反应堆、金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统；空间核反应堆通过内部加热管分别为金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统提供热量，金属氢化物储供子系统通过管道一、管道二、管道三分别与氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统、大功率核电推进子系统连接。基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统利用空间反应堆热能，以热稳定性较好的单一金属氢化物分解获得两种推进工质，形成三种推进模式。
Description
技术领域
本发明涉及航天器动力系统领域，具体地，涉及一种基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统。
背景技术
目前空间飞行器主要使用的是常规化学火箭发动机，真空比冲不超过330s，采用液氧/液氢推进剂可以进一步提高发动机比冲性能，但真空比冲最高约460s左右，且已基本达到极限。然而，液氢沸点很低(20K)，易受热而蒸发，难于长时间存储，无法满足长期在轨使用要求。因此，采用化学火箭发动机执行未来的深空探测任务，尤其是载人深空探测，将无法完成发射规模大、任务周期长的任务，且将难以承受高额的在轨补加、维护等费用。
目前国内没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统。
根据本发明提供的一种基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，包括：空间核反应堆、金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统；
空间核反应堆通过内部加热管分别为金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统提供热量，金属氢化物储供子系统通过管道一、管道二、管道三分别与氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统、大功率核电推进子系统连接。
较佳的，所述的空间核反应堆包括兆瓦级的小型空间堆，以气态或者液态介质作为载热剂将反应堆内部热量导出。
较佳的，所述的金属氢化物储供子系统，包括分解载热剂加热管路、分解载热剂主管路，分解载热剂旁通管路、载热剂控制阀、金属氢化物储罐、分解加热器、氢气排放阀、氢气储罐、电推进工质阀、电磁泵、流量控制器和蒸发器；
所述的分解载热剂加热管路位于所述的空间核反应堆内部，所述的分解载热剂主管路与所述的分解加热器连接，所述的分解载热剂旁通管路与所述的载热剂控制阀根据不同工作模式要求控制载热剂流路，所述的金属氢化物储罐用于存储、分解金属氢化物以及金属的液化，所述的分解加热器位于金属氢化物储罐内用于加热分解金属氢化物和金属的液化，所述的氢气储罐用于存储金属氢化物分解产生的高温高压氢气，所述的电磁泵是以洛仑兹力驱动无运动部件的小流量泵，所述的蒸发器利用载热剂热量实现液态金属的汽化。
较佳的，所述的氢气核热推进子系统，包括氢气主阀、氢气加热管路和氢气推力器；
所述的氢气加热管路位于所述的空间核反应堆内部，将氢气进一步加热到推进温度。
较佳的，所述的金属蒸汽核热推进子系统，包括液态金属排放阀、增压泵、压力传感器、液态金属主阀、汽化管路、金属蒸汽推力器；
所述的增压泵是以液态金属为工质的高温增压泵，所述的汽化管路位于所述的空间核反应堆内部将液态金属汽化加热至推进温度，所述的金属蒸汽推力器是以金属蒸汽为推进工质的推力器。
较佳的，所述的大功率核电推进子系统，包括：热电载热剂管路、热电转换载热剂入口阀、热电转换载热剂出口阀、热交换器、热电转换模块、线缆和电推力器；
所述的热电载热剂管路连接所述的空间核反应堆和热电转换模块，所述的热交换器将载热剂热量传递给所述的热电转换模块，所述的热电转换模块采用包括热电偶、热离子、布雷顿循环、朗肯循环和斯特林循环在内的热电转换方式，电能通过线缆输送至电推力器，所述的电推力器包括金属蒸汽为工质的大功率电推力器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)具备三种推进模式：高温氢气的核热推进可实现900s的高比冲，金属蒸汽核热推进可提供千牛级的大推力，大功率核电推进可达到7000s以上的高比冲；
2)通过单一金属氢化物分解得到两种推进工质，形成三种推进模式；
3)利用金属氢化物的热稳定性，解决了空间长时间、高密度储氢的问题；
4)通过多种推进模式的切换，为航天器提供不同的推力，满足航天器不同任务需求。
本发明适用于以核能为动力，长期在轨运行的航天器，尤其是在深空探测、空间拖船和近地轨道清理等方面有显著的应用优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统的结构示意图；
附图标记：1-空间核反应堆；2-金属氢化物储供子系统；21-分解载热剂加热管路；22-载热剂控制阀；23-金属氢化物储罐；24-分解加热器；25-氢气排放阀；26-氢气储罐；27-电推进工质阀；28-电磁泵；29-流量控制器；210-蒸发器；211-分解载热剂主管路；212-分解载热剂旁路；3-氢气核热推进子系统；31-氢气主阀；32-氢气加热管路；33-氢气推力器；4-金属蒸汽核热推进子系统；41-液态金属排放阀；42-增压泵；43-压力传感器；44-液态金属主阀；45-汽化管路；46-金属蒸汽推力器；5-大功率核电推进子系统；51-热电载热剂加热管路；52-热电转换载热剂入口阀；53-热电转换载热剂出口阀；54-热电转换模块；55-线缆；56-电推力器；57-热交换器；61-热电载热剂管路；71-管道一；81-管道二；91-管道三。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统结构示意图。如图1所示，本发明提供的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，主要包括空间核反应堆1、金属氢化物储供子系统2、氢气核热推进子系统3、金属蒸汽核热推进子系统4、大功率核电推进子系统5。空间核反应堆1通过氢化物分解载热剂加热管路21、氢气加热管路32、汽化管路45、热电载热剂加热管路51，分别为金属氢化物储供子系统2、氢气核热推进子系统3、金属蒸汽核热推进子系统4和大功率核电推进子系统5提供热量，金属氢化物储供子系统2通过管道一71、管道二81、管道三91分别与氢气核热推进子系统3、金属蒸汽核热推进子系统4、大功率核电推进子系统5连接。所述的金属氢化物为包括镁基材料(氢化镁及化合物-镁基复合材料)、硼烷金属材料(如硼氢化钠、硼氢化铝等)及其它(如氢化锂、氢化钠等)能够加热分解生成氢气的金属储氢物质；所述的氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统可各自单独或者以任意组合的方式工作实现飞行器的空间推进。
所述的空间核反应堆1是一种兆瓦级的小型空间堆，以气态或者液态介质作为载热剂将反应堆内部热量导出。
所述的金属氢化物储供子系统2，包括分解载热剂加热管路21、分解载热剂主管路211、分解载热剂旁通管路212、载热剂控制阀22、金属氢化物储罐23、分解加热器24、氢气排放阀25、氢气储罐26、电推进工质阀27、电磁泵28、流量控制器29、蒸发器210。所述的分解载热剂加热管路21位于所述的空间核反应堆1内部，所述的金属氢化物储罐23用于存储、分解金属氢化物以及金属的液化，所述的分解加热器24位于金属氢化物储罐23内用于加热分解金属氢化物和金属的液化，所述的氢气储罐26用于存储金属氢化物分解产生的高温高压氢气，所述的电磁泵28是以洛仑兹力驱动无运动部件的小流量泵，所述的蒸发器210利用载热剂热量实现液态金属的汽化，所述的分解载热剂主管路211与所述的分解载热剂加热管路21、分解加热器24和蒸发器210连接，所述的载热剂旁通管路212与所述的载热剂控制阀22根据不同工作模式要求控制载热剂流路。
所述的氢气核热推进子系统3，包括氢气主阀31、氢气加热管路32、氢气推力器33。所述的氢气加热管路32位于所述的空间核反应堆1内部。
所述的金属蒸汽核热推进子系统4，包括：液态金属排放阀41、增压泵42、压力传感器43、液态金属主阀44、汽化管路45、金属蒸汽推力器46。所述的增压泵42是以液态金属为工质的高温增压泵，所述的汽化管路45位于所述的空间核反应堆1内部实现液态金属的加热汽化，所述的金属蒸汽推力器46是以金属蒸汽为推进工质的推力器。
所述的大功率核电推进子系统5，包括：热电载热剂管路61、热电载热剂加热管路51、热电转换载热剂入口阀52、热电转换载热剂出口阀53、热交换器57、热电转换模块54、线缆55、电推力器56，所述的热电载热剂管路61用于连接所述的空间核反应堆1和热电转换模块54，所述的热电载热剂加热管路51位于所述的空间核反应堆1内部用于加热热电转换载热剂，所述的热交换器57将载热剂热量传递给所述的热电转换模块54，所述的热电转换模块54包括热电偶、热离子、布雷顿循环、朗肯循环、斯特林循环等在内的各类热电转换方式，电能通过线缆55输送至电推力器56，所述的电推力器56是指金属蒸汽为工质的兆瓦级大功率电推力器。
本发明提供的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，主要包括金属氢化物分解过程和氢气核热推进、金属蒸汽核热推进、大功率电推进三种推进模式：
金属氢化物分解过程中，空间核反应堆1加热分解载热剂加热管路21中的载热剂，载热剂通过分解载热剂主管路211和载热剂控制阀22，经由分解载热剂旁路212进入金属氢化物储罐23，通过分解加热器24加热金属氢化物，金属氢化物受热分解为高温高压的氢气和金属单质，氢气通过氢气排放阀25进入氢气储罐26进行储存，氢气分解完毕后，载热剂对金属氢化物分解储罐23中的单质金属进行加热，金属单质熔化后，存储于金属氢化物分解储罐23中，可通过液态金属排放阀41、电推进工质阀27分别供给金属蒸汽核热推进子系统4和大功率核电推进子系统5。
氢气核热推进模式中，打开氢气主阀31，存放于氢气储罐26中的高压氢气通过管路一71，经过空间核反应堆1中的氢气加热管路32，高温高压氢气进入氢气核热推力器33，完成氢气核热推进。
金属蒸汽核热推进模式中，打开液态金属排放阀41，金属氢化物分解储罐23内的液态金属经由管道而81进入金属蒸汽核热推进系统4，打开增压泵42，当压力传感器43测得压力达到设定值后，打开液态金属主阀44，液态金属通过空间核反应堆1的汽化管路45将液态金属转化为蒸汽，金属蒸汽进入金属蒸汽推力器46，完成金属蒸汽核热推进。
大功率电推进模式时，热电转换与金属推进剂的供给/推进同时进行，热电转换中，打开热电转换模块54的载热剂进口阀52和载热剂出口阀53，所述的空间核反应堆1通过热电载热剂加热管路51加热热电转换模块载热剂，载热剂通过热电载热剂管路61和热交换器57将热量传递给热电转换模块54，实现热能到电能的转换，热电转换模块54产生的电能通过线缆55传递给大功率电推力器56；金属推进剂的供给首先通过调节金属氢化物储供系统2的载热剂控制阀22，使经分解载热剂加热管路21加热后的载热剂依次通过载热剂控制阀22、蒸发器210、金属氢化物储罐26内部的分解加热器24形成循环，打开电推进工质阀27，氢气储罐26中的金属加热液化后，液态金属在电磁泵28的驱动下，通过流量控制器29进行流量控制，在蒸发器210中完成汽化，汽化后的金属蒸汽通过管道三91进入大功率电推力器56，实现金属核电推进。
氢气核热推进、金属蒸汽核热推进、大功率电推进可各自单独或者以任意组合的方式工作实现飞行器的空间推进。
本实施例一提供的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统具有如下优点：
1)具备三种推进模式：高温氢气的核热推进可实现900s的高比冲，金属蒸汽核热推进可提供千牛级的大推力，大功率核电推进可达到7000s以上的高比冲；
2)通过单一金属氢化物分解得到两种推进工质，形成三种推进模式；
3)利用金属氢化物的热稳定性，解决了空间长时间、高密度储氢的问题；
4)通过多种推进模式的切换，为航天器提供不同的推力，满足航天器不同任务需求。
本发明适用于以核能为动力，长期在轨运行的航天器，尤其是在深空探测、空间拖船和近地轨道清理等方面有显著的应用优势。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，其特征在于，包括：空间核反应堆、金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统；
空间核反应堆通过内部加热管分别为金属氢化物储供子系统、氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统和大功率核电推进子系统提供热量，金属氢化物储供子系统通过管道一、管道二、管道三分别与氢气核热推进子系统、金属蒸汽核热推进子系统、大功率核电推进子系统连接；
所述的金属氢化物储供子系统，包括分解载热剂加热管路、分解载热剂主管路，分解载热剂旁通管路、载热剂控制阀、金属氢化物储罐、分解加热器、氢气排放阀、氢气储罐、电推进工质阀、电磁泵、流量控制器和蒸发器；
所述的分解载热剂加热管路位于所述的空间核反应堆内部，所述的分解载热剂主管路与所述的分解加热器连接，所述的分解载热剂旁通管路与所述的载热剂控制阀根据不同工作模式要求控制载热剂流路，所述的金属氢化物储罐用于存储、分解金属氢化物以及金属的液化，所述的分解加热器位于金属氢化物储罐内用于加热分解金属氢化物和金属的液化，所述的氢气储罐用于存储金属氢化物分解产生的高温高压氢气，所述的电磁泵是以洛仑兹力驱动无运动部件的小流量泵，所述的蒸发器利用载热剂热量实现液态金属的汽化；
所述的氢气核热推进子系统，包括氢气主阀、氢气加热管路和氢气推力器；
所述的氢气加热管路位于所述的空间核反应堆内部，将氢气进一步加热到推进温度；
所述的金属蒸汽核热推进子系统，包括液态金属排放阀、增压泵、压力传感器、液态金属主阀、汽化管路、金属蒸汽推力器；
所述的增压泵是以液态金属为工质的高温增压泵，所述的汽化管路位于所述的空间核反应堆内部将液态金属汽化加热至推进温度，所述的金属蒸汽推力器是以金属蒸汽为推进工质的推力器；
所述的大功率核电推进子系统，包括：热电载热剂管路、热电转换载热剂入口阀、热电转换载热剂出口阀、热交换器、热电转换模块、线缆和电推力器；
所述的热电载热剂管路连接所述的空间核反应堆和热电转换模块，所述的热交换器将载热剂热量传递给所述的热电转换模块，所述的热电转换模块采用包括热电偶、热离子、布雷顿循环、朗肯循环和斯特林循环在内的热电转换方式，电能通过线缆输送至电推力器，所述的电推力器包括金属蒸汽为工质的大功率电推力器。
2.根据权利要求1所述的基于金属氢化物的三模共质空间核推进系统，其特征在于，所述的空间核反应堆包括兆瓦级的小型空间堆，以气态或者液态介质作为载热剂将反应堆内部热量导出。
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| US6290184B1 (en) * | 1998-11-27 | 2001-09-18 | Von Friedrich C. Paterro | Flying craft with water and air propulsion source |
| US9346565B1 (en) * | 2015-04-21 | 2016-05-24 | Richard Hardy | Nuclear thermal propulsion rocket engine |
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| CN107150817A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-09-12 | 田鸿波 | 一种热核能源飞行器 |
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| CN109677640A (zh) | 2019-04-26 |
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