CN114030656A - 一种新型变推力核热推进系统 - Google Patents
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Abstract
一种新型变推力核热推进系统，包括氢工质主推进剂供应系统、辅推进剂供应系统、推进剂混合器、反应堆系统、再生冷却喷管以及相应的控制系统和管路阀门。本发明通过改变推进剂成分来控制推力；主、辅推进剂在推进剂混合器中混合后进入压力容器，被反应堆堆芯加热后进入再生冷却喷管内膨胀加速排出整个推进系统，产生推力。本发明控制推力的方式更加安全，采用的辅推进剂种类多样、容易制备、性价比高。本发明新型变推力核热推进系统经济性、灵活性更高，适合作为未来深空探测航天器的推进动力。
Description
技术领域
本发明涉及空间核动力推进技术领域，具体涉及一种新型变推力核热推进系统。
背景技术
核热推进系统与传统的化学推进系统相比，具有能量密度高、比冲高、可重复启动等优点；与电推进系统相比，核热推进系统推力更大。核热推进系统在未来的深空探测任务中将会大有所为，美国宇航局已将其作为火星载人探测任务的首选方案。
变推力火箭发动机在空间机动与航天运输等任务活动中具有更好的灵活性和机动性等优点。目前，推力控制的方式主要有改变推进剂流量和调节喷管喉部流动面积等几种方式。若核热推进系统也可实现推力控制，则核热推进系统的应用范围会更加广泛，更好地发挥其优势。目前，国内外有关的变推力核热推进系统鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型变推力核热推进系统，为深空探测任务提供适用范围更广、灵活度更高的推进动力方案。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型变推力核热推进系统，包括氢工质主推进剂供应系统、辅推进剂供应系统、推进剂混合器4、反应堆系统、再生冷却喷管5以及相应的控制系统和管路阀门；
所述氢工质主推进剂供应系统包括氢工质储箱1-1、氢工质管路控制阀1-2、氢泵1-4、氢管路旁流控制阀1-3、主涡轮机1-5、主涡轮机进气控制阀1-6、主涡轮机出气控制阀1-7以及相应的控制系统和管路阀门；氢工质储箱1-1用来储存主推进剂氢，其出口连接氢工质管路控制阀1-2；氢工质管路控制阀1-2出口连接氢泵1-4，氢泵1-4为氢工质加压，其动力轴与主涡轮机1-5相连，主涡轮机1-5为氢泵1-4提供动力；与氢泵1-4相连的氢管路旁流控制阀1-3用以控制氢工质的流量；氢泵1-4输送的主推进剂进入再生冷却喷管5的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层3-1；
所述辅推进剂供应系统包括辅推进剂储箱2-1、辅推进剂管路控制阀2-2、辅推进剂泵2-4、辅推进剂管路旁流控制阀2-3、辅涡轮机2-5以及相应的控制系统和管路阀门；辅推进剂储箱2-1用来储存辅推进剂，其出口连接辅推进剂管路控制阀2-2，辅推进剂管路控制阀2-2出口连接辅推进剂泵2-4，辅推进剂泵2-4为辅推进剂加压，其动力轴与辅涡轮机2-5相连，辅涡轮机2-5为辅推进剂泵2-4提供动力；与辅推进剂泵2-4相连的辅推进剂管路旁流控制阀2-3用以控制辅推进剂的流量；辅推进剂泵2-4输送的辅推进剂进入再生冷却喷管5的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层3-1，随后辅推进剂进入推进剂混合器4；辅涡轮机2-5进气口与主涡轮机1-5出口相连，辅涡轮机2-5出气口与推进剂混合器4相连；
所述反应堆系统包括反射层3-1、压力容器3-2和反应堆堆芯3-3；压力容器3-2包裹着反射层3-1和反应堆堆芯3-3，反射层3-1设置在反应堆堆芯3-3外围一圈；反射层3-1的作用一方面将反应堆堆芯3-3产生的中子反射回活性区，提高中子经济性，一方面预热主推进剂和辅推进剂；反应堆堆芯3-3的作用为主推进剂和辅推进剂提供能量，反应堆堆芯3-3出口连接再生冷却喷管5；所述反射层3-1出口氢管路一支与主涡轮机1-5进气口相连，另一支通过主涡轮机进气控制阀1-6与推进剂混合器4相连；主涡轮机1-5出气口一个支路与辅涡轮机2-5相连，另一个支路通过涡轮机出气控制阀1-7与推进剂混合器4相连；
所述推进剂混合器4入口与主涡轮机1-5、辅涡轮机2-5、反射层3-1出口推进剂管路相连，推进剂混合器4出口与压力容器3-2相连；
所述再生冷却喷管5为缩放喷管，由依次连接的再生冷却通道、收缩段、喉部及扩张段组成，其作用为将推进剂的内能转化为动能，产生推力。
主推进剂由氢泵1-4将其从氢工质储箱1-1抽出，并被泵送至再生冷却喷管5的再生冷却通道、反射层3-1通道预热；随后主推进剂分别进入主涡轮机1-5和推进剂混合器4；进入主涡轮机1-5的主推进剂膨胀做功后一部分进入辅涡轮机2-5继续做功，一部分进入推进剂混合器4；辅涡轮机2-5内主推进剂膨胀做功后进入推进剂混合器4；
辅推进剂由辅推进剂泵2-4将其从辅推进剂储箱2-1抽出，并被泵送至再生冷却喷管5的再生冷却通道、反射层3-1通道预热；随后辅推进剂进入推进剂混合器4；
主推进剂和辅推进剂在推进剂混合器4中混合后进入压力容器3-2，被反应堆堆芯3-3加热，内能增加；随后混合推进剂进入再生冷却喷管5内膨胀加速排出整个推进系统，产生推力。
所述辅推进剂采用液氩、液氮、液氙、液氨、二氧化碳中的一种或两种及以上的组合。
所述反应堆堆芯3-3为热中子堆或快中子堆，结构为轴流式或径流式。
所述再生冷却喷管5型面锥形或钟形。
所述新型变推力核热推进系统设计推力范围为1吨至100吨，设计功率范围为50MWth至5000MWth。
所述新型变推力核热推进系统总高小于10米，总重量在20吨以内。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明新型变推力核热推进系统采用在反应堆功率恒定条件下改变推进剂成分来控制推力的方式，避免了频繁调节反应堆功率大小或改变喷管喉部流动面积，保证了反应堆堆芯的临界安全。
2)本发明新型变推力核热推进系统采用的辅推进剂种类多样、容易制备，价格便宜，且可以根据具体任务进行合理配比。该核热推进系统经济性、灵活性更高，适合作为未来深空探测航天器的推进动力。
附图说明
图1为本发明新型变推力核热推进系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种新型变推力核热推进系统，包括氢工质主推进剂供应系统、辅推进剂供应系统、推进剂混合器4、反应堆系统、再生冷却喷管5以及相应的控制系统和管路阀门。
所述氢工质主推进剂供应系统包括氢工质储箱1-1、氢工质管路控制阀1-2、氢泵1-4、氢管路旁流控制阀1-3、主涡轮机1-5、主涡轮机进气控制阀1-6、主涡轮机出气控制阀1-7以及相应的控制系统和管路阀门。氢工质储箱1-1用来储存主推进剂氢，其出口连接氢工质管路控制阀1-2，氢工质管路控制阀1-2出口连接氢泵1-4。氢泵1-4为氢工质加压，其动力轴与主涡轮机1-5相连，主涡轮机1-5为氢泵1-4提供动力。与氢泵1-4相连的氢管路旁流控制阀1-3用以控制氢工质的流量。氢泵1-4输送的工质进入再生冷却喷管5的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层3-1。反射层3-1出口氢管路一支与主涡轮机1-5进气口相连，另一支通过主涡轮机进气控制阀1-6与推进剂混合器4相连。主涡轮机1-5出气口一个支路与辅涡轮机2-5相连，另一个支路通过涡轮机出气控制阀1-7与推进剂混合器4相连。
所述辅推进剂供应系统包括辅推进剂储箱2-1、辅推进剂管路控制阀2-2、辅推进剂泵2-4、辅推进剂管路旁流控制阀2-3、辅涡轮机2-5以及相应的控制系统和管路阀门。辅推进剂储箱2-1用来储存辅推进剂，其出口连接辅推进剂管路控制阀2-2，辅推进剂管路控制阀2-2出口连接辅推进剂泵2-4。辅推进剂泵2-4为辅推进剂加压，其动力轴与辅涡轮机2-5相连，辅涡轮机2-5为辅推进剂泵2-4提供动力。与辅推进剂泵2-4相连的辅推进剂管路旁流控制阀2-3用以控制辅推进剂的流量。辅推进剂泵2-4输送的辅推进剂进入再生冷却喷管5的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层3-1，随后辅推进剂进入推进剂混合器4。辅涡轮机2-5进气口与主涡轮机1-5出口相连，辅涡轮机2-5出气口与推进剂混合器4相连。
所述推进剂混合器4入口与主涡轮机1-5、辅涡轮机2-5、反射层3-1出口推进剂管路相连，推进剂混合器4出口与压力容器3-2相连。
所述反应堆系统主要包括反射层3-1、压力容器3-2、反应堆堆芯3-3。压力容器3-2包裹着反射层3-1和反应堆堆芯3-3，反射层3-1设置在反应堆堆芯3-3外围一圈。反射层3-1的作用一方面将反应堆堆芯3-3产生的中子反射回活性区、提高中子经济性，一方面预热主推进剂和辅推进剂。反应堆堆芯3-3的作用为主推进剂和辅推进剂提供能量，反应堆堆芯3-3出口连接再生冷却喷管5。
所述再生冷却喷管5为缩放喷管，由依次连接的再生冷却通道、收缩段、喉部及扩张段组成，其作用为将推进剂的内能转化为动能，产生推力。
作为本发明的优选实施方式，辅推进剂采用液氩、液氮、液氙、液氨、二氧化碳中的一种或两种及以上的组合。
作为本发明的优选实施方式，反应堆堆芯3-3为热中子堆或快中子堆，结构为轴流式或径流式。
作为本发明的优选实施方式，所述再生冷却喷管5型面锥形或钟形。
作为本发明的优选实施方式，所述新型变推力核热推进系统设计推力范围为1吨至100吨，设计功率范围为50MWth至5000MWth。
作为本发明的优选实施方式，所述新型变推力核热推进系统总高小于10米，总重量在20吨以内。
为更好地说明本设计方案，现对其工作原理加以描述。
主推进剂由氢泵1-4将其从氢工质储箱1-1抽出，并被泵送至再生冷却喷管5的再生冷却通道、反射层3-1通道预热；随后主推进剂分别进入主涡轮机1-5和推进剂混合器4；进入主涡轮机1-5的主推进剂膨胀做功后一部分进入辅涡轮机2-5继续做功，一部分进入推进剂混合器4；辅涡轮机2-5内主推进剂膨胀做功后进入推进剂混合器4。
辅推进剂由辅推进剂泵2-4将其从辅推进剂储箱2-1抽出，并被泵送至再生冷却喷管5的再生冷却通道、反射层3-1通道预热；随后辅推进剂进入推进剂混合器4。
主推进剂和辅推进剂在推进剂混合器4中混合后进入压力容器3-2，被反应堆堆芯3-3加热，内能增加；随后混合推进剂进入再生冷却喷管5内膨胀加速排出整个推进系统，产生推力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：包括氢工质主推进剂供应系统、辅推进剂供应系统、推进剂混合器(4)、反应堆系统、再生冷却喷管(5)以及相应的控制系统和管路阀门；
所述氢工质主推进剂供应系统包括氢工质储箱(1-1)、氢工质管路控制阀(1-2)、氢泵(1-4)、氢管路旁流控制阀(1-3)、主涡轮机(1-5)、主涡轮机进气控制阀(1-6)、主涡轮机出气控制阀(1-7)以及相应的控制系统和管路阀门；氢工质储箱(1-1)用来储存主推进剂氢，其出口连接氢工质管路控制阀(1-2)；氢工质管路控制阀(1-2)出口连接氢泵(1-4)，氢泵(1-4)为氢工质加压，其动力轴与主涡轮机(1-5)相连，主涡轮机(1-5)为氢泵(1-4)提供动力；与氢泵(1-4)相连的氢管路旁流控制阀(1-3)用以控制氢工质的流量；氢泵(1-4)输送的主推进剂进入再生冷却喷管(5)的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层(3-1)；
所述辅推进剂供应系统包括辅推进剂储箱(2-1)、辅推进剂管路控制阀(2-2)、辅推进剂泵(2-4)、辅推进剂管路旁流控制阀(2-3)、辅涡轮机(2-5)以及相应的控制系统和管路阀门；辅推进剂储箱(2-1)用来储存辅推进剂，其出口连接辅推进剂管路控制阀(2-2)，辅推进剂管路控制阀(2-2)出口连接辅推进剂泵(2-4)，辅推进剂泵(2-4)为辅推进剂加压，其动力轴与辅涡轮机(2-5)相连，辅涡轮机(2-5为辅推进剂泵(2-4)提供动力；与辅推进剂泵(2-4)相连的辅推进剂管路旁流控制阀(2-3)用以控制辅推进剂的流量；辅推进剂泵(2-4)输送的辅推进剂进入再生冷却喷管(5)的部分再生冷却通道和反应堆系统的反射层(3-1)，随后辅推进剂进入推进剂混合器(4)；辅涡轮机(2-5)进气口与主涡轮机(1-5)出口相连，辅涡轮机(2-5)出气口与推进剂混合器(4)相连；
所述反应堆系统包括反射层(3-1)、压力容器(3-2)和反应堆堆芯(3-3)；压力容器(3-2)包裹着反射层(3-1)和反应堆堆芯(3-3)，反射层(3-1)设置在反应堆堆芯(3-3)外围一圈；反射层(3-1)的作用一方面将反应堆堆芯(3-3)产生的中子反射回活性区，提高中子经济性，一方面预热主推进剂和辅推进剂；反应堆堆芯(3-3)的作用为主推进剂和辅推进剂提供能量，反应堆堆芯(3-3)出口连接再生冷却喷管(5)；所述反射层(3-1)出口氢管路一支与主涡轮机(1-5)进气口相连，另一支通过主涡轮机进气控制阀(1-6)与推进剂混合器(4)相连；主涡轮机(1-5)出气口一个支路与辅涡轮机(2-5)相连，另一个支路通过涡轮机出气控制阀(1-7)与推进剂混合器(4)相连；
所述推进剂混合器(4)入口与主涡轮机(1-5)、辅涡轮机(2-5)、反射层(3-1)出口推进剂管路相连，推进剂混合器(4)出口与压力容器(3-2)相连；
所述再生冷却喷管(5)为缩放喷管，由依次连接的再生冷却通道、收缩段、喉部及扩张段组成，其作用为将推进剂的内能转化为动能，产生推力。
2.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：主推进剂由氢泵(1-4)将其从氢工质储箱(1-1)抽出，并被泵送至再生冷却喷管(5)的再生冷却通道、反射层(3-1)通道预热；随后主推进剂分别进入主涡轮机(1-5)和推进剂混合器(4)；进入主涡轮机(1-5)的主推进剂膨胀做功后一部分进入辅涡轮机(2-5)继续做功，一部分进入推进剂混合器(4)；辅涡轮机(2-5)内主推进剂膨胀做功后进入推进剂混合器(4)；
辅推进剂由辅推进剂泵(2-4)将其从辅推进剂储箱(2-1)抽出，并被泵送至再生冷却喷管(5)的再生冷却通道、反射层(3-1)通道预热；随后辅推进剂进入推进剂混合器(4)；
主推进剂和辅推进剂在推进剂混合器(4)中混合后进入压力容器(3-2)，被反应堆堆芯(3-3)加热，内能增加；随后混合推进剂进入再生冷却喷管(5)内膨胀加速排出整个推进系统，产生推力。
3.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：辅推进剂采用液氩、液氮、液氙、液氨、二氧化碳中的一种或两种及以上的组合。
4.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：反应堆堆芯(3-3)为热中子堆或快中子堆，结构为轴流式或径流式。
5.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：所述再生冷却喷管(5)型面锥形或钟形。
6.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：所述新型变推力核热推进系统设计推力范围为1吨至100吨，设计功率范围为50MWth至5000MWth。
7.根据权利要求1所述的一种新型变推力核热推进系统，其特征在于：所述新型变推力核热推进系统总高小于10米，总重量在20吨以内。
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