CN113776869A - 一种空间核动力平台非核在轨验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间核动力平台非核在轨验证方法，包括：由核动力模拟模块通过聚光镜和非核热源执行核源模拟以产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块；由所述热电转换模块通过热电效用材料和斯特林发电机将高温热管传递的热能转换为电能；由核源散热模块通过展开式辐射器将核废热排散至空间；以及由电源管理模块通过电源控制器、太阳电池阵和蓄电池组执行电源转换和整星电源供应。通过该方法，可以实现空间核动力平台的高温传热、热电转换、大功率散热和电源管理的在轨验证。
Description
技术领域
本发明总的来说涉及航天应用技术领域，更具体而言涉及一种空间核动力平台非核在轨验证方法。
背景技术
随着航天技术的发展，人类的探索空间逐渐由近地空间拓展到深空。但深空探测涉及探测器机动速度需求大、太阳光照受限等难题，传统化学推进和太阳电池阵供能难以支撑探测器执行任务，核动力和电推进的结合成为了深空探测的必然选择。电推进系统具有燃料少、比冲高的优势，缺点是推力小且功率需求大。适用于深空探测的1N以上的电推进系统，其功率需求为从百kW至兆W量级，对空间核电源技术的要求很高。
经过多年发展，我国核能发电技术日趋成熟，但空间核动力的研究尚处于预研阶段。空间核动力涉及的关键技术繁多，包括核反应堆及自主控制、高温传热、热电转换、大功率散热、电源管理等核心技术。由于安全因素和获取限制，核燃料在正式应用于飞行器前，需要进行核源模拟和空间核动力平台其他系统技术的先期验证。
为了有效实现空间核动力平台的高温传热、热电转换、大功率散热和电源管理的在轨验证，需要一种新的设计思路和解决方法。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种空间核动力平台非核在轨验证方法，通过该方法，可以实现空间核动力平台的高温传热、热电转换、大功率散热和电源管理的在轨验证。
根据本发明，前述任务通过一种空间核动力平台非核在轨验证方法来解决，该方法包括：
由核动力模拟模块通过聚光镜和非核热源执行核源模拟以产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块；
由所述热电转换模块通过热电效用材料和斯特林发电机将高温热管传递的热能转换为电能；
由核源散热模块通过展开式辐射器将核废热排散至空间；以及
由电源管理模块通过电源控制器、太阳电池阵和蓄电池组执行电源转换和整星电源供应。
在本发明的一个优选方案中规定，所述核动力模拟模块包括:
所述核动力模拟模块包括聚光镜、非核热源和高温热管。
在本发明的另一个优选方案中规定，核动力模拟模块通过聚光镜和非核热源实现核源模拟产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块包括:
所述聚光镜的正面将投射太阳光反射至所述非核热源；
所述非核热源将光能转换为热能；以及
所述高温热管将热能传输至所述热电转换模块。
在本发明的又一个优选方案中规定，所述聚光镜包括:
所述聚光镜的正面采用高反射率镜面材料；以及
所述聚光镜的正面是凹面镜结构。
在本发明的一个优选方案中规定，所述热电转换模块包括：
温差发电子模块，所述温差发电子模块使用热电效用材料，通过低效率静态发电的方式将热能转换为电能；以及
斯特林发电机子模块，所述斯特林发电机子模块通过往复式动力机械原理，采用高效率动态发电的方式将热能转换为电能。
在本发明的另一个优选方案中规定，所述展开式辐射器包括：
所述展开式辐射器内部通过碱金属热管实现高效散热。
在本发明的又一个优选方案中规定，所述太阳电池阵包括：
所述太阳电池阵用于卫星电能供应，保证星上仪器正常工作所需电能。
在本发明的一个优选方案中规定，所述蓄电池组包括：
所述蓄电池组用于卫星在轨道地影区提供电能供应；以及
所述蓄电池组用于短时大功率能源供应。
在本发明的另一个优选方案中规定，所述电源控制器包括：
所述电源控制器采用自适应算法将所述热电转换模块、太阳电池阵和蓄电池组的多体制电能收集并网，保持卫星供电稳定。
本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明提出了一种空间核动力平台非核在轨验证方法，可以实现空间核动力平台的高温传热、热电转换、大功率散热和电源管理的在轨验证,结合地面开展验证的核反应堆及自主控制技术，为未来空间核动力平台提供技术支撑；(2)本发明的方法无需消耗整星电资源对核源进行模拟，具有光-热转换效率高、热流密度大、重量轻、耐高温、热电转换方式丰富、稳定性好的优点。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的空间核动力平台非核在轨验证方法的组成模块示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，所述方法步骤可以以不同顺序执行。
首先阐述本发明所基于的原理。
本发明提出的一种空间核动力平台非核在轨验证方法包括核动力模拟模块、热电转换模块、核源散热模块、电源管理模块。核动力模拟模块的聚光镜在轨工作时保持对日定向姿态，当太阳平行光照射至聚光镜后，通过其表面的高反射镜面材料反射至其焦点位置的非核热源模拟结构。由高温热管传递至热电转换模块，热电转换模块中的热电效用材料以及斯特林发电机将热能转换为电能。由于热电转换模块效率有限，剩余核废热通过核源散热模块向空间排散。电源管理模块包括电源控制器、太阳电池阵、蓄电池组用于电源转换和整星电源供应。
图1示出了根据本发明的空间核动力平台非核在轨验证方法的组成模块示意图。
如图1所示，一种空间核动力平台非核在轨验证技术的组成模块包括：
核动力模拟模块10：核动力模拟模块10包括聚光镜11、非核热源12和高温热管13。核动力模拟模块10通过聚光镜11和非核热源12执行核源模拟以产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块。
热电转换模块20：热电转换模块20包括斯特林发电机子模块21和温差发电子模块22。热电转换模块20通过斯特林发电机21和温差发电子模块22将高温热管13传递的热能转换为电能。
核源散热模块30：核源散热模块30包括展开式辐射器31。核源散热模块30通过展开式辐射器31将核废热排散至空间。
电源管理模块40：电源管理模块40包括电源控制器41、太阳电池阵42和蓄电池组43。电源管理模块通过电源控制器41、太阳电池阵42和蓄电池组43实现电源转换和整星电源供应。
下面介绍根据本发明的空间核动力平台的运行方式和原理。本发明的方法以直接利用太阳能的方式代替电发热技术。首先，太阳光以平行光束投射至核动力模拟模块10中聚光镜11的正面，其中聚光镜11的正面是凹面镜结构。聚光镜11正面的高反射率镜面材料将太阳光能量反射至非核热源12，非核热源12将光能转换为热能，非核热源12内部的高温热管13将热能传导至热电转换模块20。热电转换模块20的温差发电子模块22使用热电效用材料，通过低效率静态发电的方式将热能转换为电能。热电转换模块20的斯特林发电机子模块21通过往复式动力机械原理，采用高效率动态发电的方式将热能转换为电能。由于热电转换模块20的热电转换效率有限，剩余核废热需要向空间排散。通过核源散热模块30中的展开式辐射器31将核废热排散至空间。展开式辐射器31内部采用碱金属热管实现高效散热。电源管理模块40中太阳电池阵42用于卫星电能供应，保证星上仪器正常工作所需电能。电源管理模块40中蓄电池组43用于卫星在轨道地影区提供电能供应，或短时大功率能源供应。电源管理模块40中的电源控制器41采用自适应算法将热电转换模块20、太阳电池阵42和蓄电池组43的多体制电能收集并网，保持卫星供电稳定。
本发明至少具有下列有益效果：(1)本发明提出了一种空间核动力平台非核在轨验证方法，可以实现空间核动力平台的高温传热、热电转换、大功率散热和电源管理的在轨验证,结合地面开展验证的核反应堆及自主控制技术，为未来空间核动力平台提供技术支撑；(2)本发明的方法无需消耗整星电资源对核源进行模拟，具有光-热转换效率高、热流密度大、重量轻、耐高温、热电转换方式丰富、稳定性好的优点。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (9)
1.一种空间核动力平台非核在轨验证方法，包括：
由核动力模拟模块通过聚光镜和非核热源执行核源模拟以产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块；
由所述热电转换模块通过热电效用材料和斯特林发电机将高温热管传递的热能转换为电能；
由核源散热模块通过展开式辐射器将核废热排散至空间；以及
由电源管理模块通过电源控制器、太阳电池阵和蓄电池组执行电源转换和整星电源供应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述核动力模拟模块包括:
所述核动力模拟模块包括聚光镜、非核热源和高温热管。
3.根据权利要求1所述的方法，其中由核动力模拟模块通过聚光镜和非核热源执行核源模拟以产生热能，并由高温热管将热能传递到热电转换模块包括:
所述聚光镜的正面将投射太阳光反射至所述非核热源；
所述非核热源将光能转换为热能；以及
所述高温热管将热能传输至所述热电转换模块。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述聚光镜包括:
所述聚光镜的正面采用高反射率镜面材料；以及
所述聚光镜的正面是凹面镜结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述热电转换模块包括：
温差发电子模块，所述温差发电子模块使用热电效用材料，通过低效率静态发电的方式将热能转换为电能；以及
斯特林发电机子模块，所述斯特林发电机子模块通过往复式动力机械原理，采用高效率动态发电的方式将热能转换为电能。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述展开式辐射器包括：
所述展开式辐射器内部通过碱金属热管实现高效散热。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述太阳电池阵包括：
所述太阳电池阵用于卫星电能供应，保证星上仪器正常工作所需电能。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述蓄电池组包括：
所述蓄电池组用于卫星在轨道地影区提供电能供应；以及
所述蓄电池组用于短时大功率能源供应。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电源控制器包括：
所述电源控制器采用自适应算法将所述热电转换模块、太阳电池阵和蓄电池组的多体制电能收集并网，保持卫星供电稳定。
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