CN114121316A - 一种双模式空间核能推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双模式空间核能推进系统，包括以氢工质作为推进工质的核热推进子系统和以氦气‑电推进剂混合气体为冷却工质的核电推进子系统；本发明通过核反应堆系统加热氢工质和混合气体闭式回路，由缩放喷管和电推进器喷射推进剂工质实现动力推进。本发明结合了核热推进与电推进技术的优势，提供一种新型的双模式空间核能推进系统，可实现推力范围毫牛到百千牛级别，推进剂的利用效率更高、经济性更佳，可作为未来航天器推进动力的优先选择。
Description
技术领域
本发明涉及空间核能推进技术领域，具体涉及一种双模式空间核能推进系统。
背景技术
推进动力技术决定了深空探测任务的广度和深度，先进的空间推进动力是未来星际航行、星际资源勘探开发的重要保障。核能是一种能量密度高的能源，采用核能作为推进动力的能量源可实现从毫牛到上百千牛级别的推力，且推进剂的利用效率远高于化学推进技术。然而，核热推进虽然推力在1～1000kN，但比冲只有700～1200s；电推进虽然比冲1000～10000s，但推力只有1mN～10N。基于核热推进与核电推进的双模式推进技术可以更好地解决推力与比冲之间的矛盾关系，有效提升推进系统的性能和经济性。
目前国内有机构研究了基于热管冷却双模式空间堆、基于SCO2布雷顿循环或液态金属朗肯循环的双模式推进系统、基于氢化镁的双模共质空间核动力技术，国外也有一些双模式空间核推进技术的研究，但双模式空间核推进系统整体方案的设计研究较少。
发明内容
本发明提供了一种双模式空间核能推进系统，核电推进子系统气体回路采用氦气为主、电推进工质为辅的混合气体作为冷却工质，推进系统的经济性更佳。可为航天器提供周期长、比冲高、推力范围大的推进动力系统。
本发明采取以下技术方案：
一种双模式空间核能推进系统，包括核热推进子系统与核电推进子系统两部分。
所述核热推进子系统包括氢工质储箱1-1、储箱出口阀门1-2、氢泵1-3、氢涡轮1-4、核反应堆系统、缩放喷管4及其连接的管路；所述核反应堆系统包括堆芯径向反射层2-1、压力容器2-2和核反应堆堆芯2-3；压力容器2-2内设置有堆芯径向反射层2-1和核反应堆堆芯2-3；堆芯径向反射层2-1将核反应堆堆芯2-3径向包围，减少堆芯中子的泄漏；其中，氢工质储箱1-1与通过储箱出口阀门1-2与氢泵1-3相连，氢泵1-3将氢工质加压送到堆芯径向反射层2-1预热。氢涡轮1-4入口与堆芯径向反射层2-1出口相连，其出口与压力容器2-2相连。氢涡轮1-4动力轴与氢泵1-3动力轴相连，氢涡轮1-4为氢泵1-3提供动力；核反应堆堆芯2-3出口与缩放喷管4相连，氢工质在缩放喷管4内膨胀加速排出并产生推力；
所述核电推进子系统包括氦气储箱3-1、电推进工质储箱3-2、氦气储箱出口阀3-3、电推进工质储箱出口三通阀3-4、气体混合器3-5、混合气体闭式回路、发电机5和电推进器6；氦气储箱3-1、电推进工质储箱3-2分别通过氦气储箱出口阀3-3、电推进工质储箱出口三通阀3-4与气体混合器3-5入口相连，气体混合器3-5出口与混合气体闭式回路相连；所述混合气体闭式回路包括依次连接的气体压缩机3-6、堆芯气体换热器3-7、气轮机3-8、辐射散热器3-9及其连接的管路；气体压缩机3-6将混合气体加压送至位于核反应堆系统中的堆芯气体换热器3-7；气轮机3-8动力轴与发电机5动力轴相连，为发电机5提供动力；发电机5为电推进器6提供电力。电推进工质储箱出口三通阀3-4另一支路与电推进器6相连。电推进工质从电推进器6电离排出产生推力。
所述核反应堆堆芯2-3为核裂变反应固态、液态或气态堆芯，反应堆中子能谱为热中子或快中子。
所述堆芯径向反射层2-1的材料为氧化铍、氢化锂或石墨，内设置有控制转鼓用以控制核反应堆堆芯2-3功率。
所述电推进器6为电阻加热推进器、电弧加热推进器、离子推进器或霍尔推进器中的一种。
所述电推进工质储箱3-2中的电推进工质为氙气、氩气、氪气、氦气、氢气的单质或混合物。
所述辐射散热器3-9为热管辐射散热器、液滴辐射散热器或翅片式散热器。
所述气体混合器3-5出口为单向，工质不可以反向进入。
所述核热推进子系统推力范围为1千牛到100千牛，所述核电推进子系统推力范围为1毫牛到10牛。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明综合核热推进与电推进技术的优势，可实现推力范围毫牛到白千牛级别，推进剂的利用效率更高，适合作为未来空间探测的推进动力。
2)本发明核电推进子系统气体回路采用氦气为主、电推进工质为辅的混合气体作为冷却工质，工质利用性更好，推进系统的经济性更佳。
附图说明
图1为本发明双模式空间核能推进系统的示意图。
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种双模式空间核能推进系统，包括核热推进子系统与核电推进子系统两部分。
所述核热推进子系统包括氢工质储箱1-1、储箱出口阀门1-2、氢泵1-3、氢涡轮1-4、核反应堆系统、缩放喷管4及其连接的管路；其中，氢工质储箱1-1与通过储箱出口阀门1-2与氢泵1-3相连，氢泵1-3将氢工质加压送到堆芯径向反射层2-1预热。氢涡轮1-4入口与堆芯径向反射层2-1出口相连，其出口与压力容器2-2相连。氢涡轮1-4动力轴与氢泵1-3动力轴相连，氢涡轮1-4为氢泵1-3提供动力。
所述核反应堆系统包括堆芯径向反射层2-1、压力容器2-2和核反应堆堆芯2-3；压力容器2-2内设置有堆芯径向反射层2-1和核反应堆堆芯2-3；堆芯径向反射层2-1将核反应堆堆芯2-3径向包围，减少堆芯中子的泄漏。核反应堆堆芯2-3出口与缩放喷管4相连，氢工质在缩放喷管4内膨胀加速排出并产生推力。
所述核电推进子系统包括氦气储箱3-1、电推进工质储箱3-2、氦气储箱出口阀3-3、电推进工质储箱出口三通阀3-4、气体混合器3-5、混合气体闭式回路、发电机5和电推进器6。氦气储箱3-1、电推进工质储箱3-2分别通过氦气储箱出口阀3-3、电推进工质储箱出口三通阀3-4与气体混合器3-5入口相连。气体混合器3-5出口与混合气体闭式回路相连。所述混合气体闭式回路包括依次连接的气体压缩机3-6、堆芯气体换热器3-7、气轮机3-8、辐射散热器3-9及其连接的管路。气体压缩机3-6将混合气体加压送至堆芯气体换热器3-7，堆芯气体换热器3-7出口与气轮机3-8进口相连，辐射散热器3-9的进出口分别与气轮机3-8出口、气体压缩机3-6进口相连；
气轮机3-8动力轴与发电机5动力轴相连，为发电机5提供动力。发电机5为电推进器6提供电力。电推进工质储箱出口三通阀3-4另一支路与电推进器6相连。电推进工质从电推进器6电离排出产生推力。
作为本发明优选实施方式，所述核反应堆堆芯2-3为热中子或快中子核裂变反应固态堆芯。
作为本发明优选实施方式，所述堆芯径向反射层2-1的材料为氧化铍或石墨，内设置有控制转鼓用以控制核反应堆堆芯2-3功率，控制转鼓中子吸收材料为碳化硼。
作为本发明优选实施方式，所述缩放喷管4的型面为锥形或钟形。
作为本发明优选实施方式，所述混合气体闭式回路采用布雷顿循环作为热力循环方式。
作为本发明优选实施方式，所述电推进器6为离子推进器或霍尔推进器。所述电推进工质为氙气、氩气、氪气的单质或混合物。
作为本发明优选实施方式，所述辐射散热器3-9为热管辐射散热器、液滴辐射散热器或翅片式散热器。
作为本发明优选实施方式，所述核热推进子系统推力范围为1千牛到100千牛，所述核电推进子系统推力范围为1毫牛到10牛。
为更好地说明本发明技术方案，现对其工作原理加以描述。
在核热推进子系统中，氢泵1-3将氢工质从氢工质储箱1-1中抽出加压，送至堆芯径向反射层2-1预热升温。随后，氢工质进入氢涡轮1-4中膨胀做功，氢涡轮1-4动力轴带动氢泵1-3工作。做功后的氢工质进入压力容器2-2中的核反应堆堆芯2-3被加热。加热后的氢工质在缩放喷管4内膨胀加速，将内能转化为动能排出缩放喷管产生推力。
当需要核电推进子系统工作时，氦气储箱出口阀3-3、电推进工质储箱出口三通阀3-4打开，氦气储箱3-1、电推进工质储箱3-2分别储存的氦气工质和电推进工质按照所需比例排至气体混合器3-5中混合。混合气体进入混合气体闭式回路并达到运行工况需求，关闭氦气储箱出口阀3-3，并将电推进工质储箱出口三通阀3-4旋转至电推进器供气侧。在混合气体闭式回路中，气体压缩机3-6为混合气体提供动力，将其送至堆芯气体换热器3-7吸热升温。随后，高温混合气体进入气轮机3-8做功，乏气进入辐射散热器3-9降温后流至气体压缩机3-6入口，完成一次热力循环过程。高速旋转的气轮机3-8动力轴带动发电机5发电，供给电推进器6工作。电推进器6将电推进工质储箱3-2中供给的电推进工质电离喷出，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 (8)
1.一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：包括核热推进子系统与核电推进子系统两部分；
所述核热推进子系统包括氢工质储箱(1-1)、储箱出口阀门(1-2)、氢泵(1-3)、氢涡轮(1-4)、核反应堆系统、缩放喷管(4)及其连接的管路；所述核反应堆系统包括堆芯径向反射层(2-1)、压力容器(2-2)和核反应堆堆芯(2-3)，压力容器(2-2)内设置有堆芯径向反射层(2-1)和核反应堆堆芯(2-3)，堆芯径向反射层(2-1)将核反应堆堆芯(2-3)径向包围，减少堆芯中子的泄漏；
其中，氢工质储箱(1-1)与通过储箱出口阀门(1-2)与氢泵(1-3)相连，氢泵(1-3)将氢工质加压送到堆芯径向反射层(2-1)预热；氢涡轮(1-4)入口与堆芯径向反射层(2-1)出口相连，氢涡轮(1-4)出口与压力容器(2-2)相连；氢涡轮(1-4)动力轴与氢泵(1-3)动力轴相连，氢涡轮(1-4)为氢泵(1-3)提供动力；核反应堆堆芯(2-3)出口与缩放喷管(4)相连，氢工质在缩放喷管(4)内膨胀加速排出并产生推力；
所述核电推进子系统包括氦气储箱(3-1)、电推进工质储箱(3-2)、氦气储箱出口阀(3-3)、电推进工质储箱出口三通阀(3-4)、气体混合器(3-5)、混合气体闭式回路、发电机(5)和电推进器(6)；氦气储箱(3-1)、电推进工质储箱(3-2)分别通过氦气储箱出口阀(3-3)、电推进工质储箱出口三通阀(3-4)与气体混合器(3-5)入口相连，气体混合器(3-5)出口与混合气体闭式回路相连；所述混合气体闭式回路包括依次连接的气体压缩机(3-6)、堆芯气体换热器(3-7)、气轮机(3-8)、辐射散热器(3-9)及其连接的管路；气体压缩机(3-6)将混合气体加压送至位于核反应堆系统中的堆芯气体换热器(3-7)，气轮机(3-8)动力轴与发电机(5)动力轴相连，为发电机(5)提供动力；发电机(5)为电推进器(6)提供电力；电推进工质储箱出口三通阀(3-4)另一支路与电推进器(6)相连，电推进工质从电推进器(6)电离排出产生推力。
2.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述核反应堆堆芯(2-3)为核裂变反应固态、液态或气态堆芯，反应堆中子能谱为热中子或快中子。
3.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述堆芯径向反射层(2-1)的材料为氧化铍、氢化锂或石墨，内设置有控制转鼓用以控制核反应堆堆芯(2-3)功率。
4.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述电推进器(6)为电阻加热推进器、电弧加热推进器、离子推进器或霍尔推进器中的一种。
5.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述电推进工质储箱(3-2)中的电推进工质为氙气、氩气、氪气、氦气、氢气的单质或混合物。
6.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述辐射散热器(3-9)为热管辐射散热器、液滴辐射散热器或翅片式散热器。
7.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所述核热推进子系统推力范围为1千牛到100千牛，所述核电推进子系统推力范围为1毫牛到10牛。
8.根据权利要求1所述一种双模式空间核能推进系统，其特征在于：所推进系统的工作方法如下：
在核热推进子系统中，氢泵(1-3)将氢工质从氢工质储箱(1-1)中抽出加压，送至堆芯径向反射层(2-1)预热升温；随后，氢工质进入氢涡轮(1-4)中膨胀做功，氢涡轮(1-4)动力轴带动氢泵(1-3)工作；做功后的氢工质进入压力容器(2-2)中的核反应堆堆芯(2-3)被加热，加热后的氢工质在缩放喷管(4)内膨胀加速，将内能转化为动能排出缩放喷管产生推力；
当需要核电推进子系统工作时，氦气储箱出口阀(3-3)、电推进工质储箱出口三通阀(3-4)打开，氦气储箱(3-1)、电推进工质储箱(3-2)分别储存的氦气工质和电推进工质按照所需比例排至气体混合器(3-5)中混合；混合气体进入混合气体闭式回路并达到运行工况需求，关闭氦气储箱出口阀(3-3)，并将电推进工质储箱出口三通阀(3-4)旋转至电推进器供气侧；在混合气体闭式回路中，气体压缩机(3-6)为混合气体提供动力，将其送至堆芯气体换热器(3-7)吸热升温；随后，高温混合气体进入气轮机(3-8)做功，乏气进入辐射散热器(3-9)降温后流至气体压缩机(3-6)入口，完成一次热力循环过程；高速旋转的气轮机(3-8)动力轴带动发电机(5)发电，供给电推进器(6)工作；电推进器(6)将电推进工质储箱(3-2)中供给的电推进工质电离喷出，产生推力。
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