FR2996527A1 - Electric nuclear propulsion spacecraft, has protection shield including main part, and two geometrical extensions extending laterally from main part towards reactor, where extensions are placed on both sides of reactor - Google Patents

Electric nuclear propulsion spacecraft, has protection shield including main part, and two geometrical extensions extending laterally from main part towards reactor, where extensions are placed on both sides of reactor Download PDF

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Abstract

The spacecraft has a mast (1) that is adapted to support a payload (5). A nuclear reactor is arranged to heat a fluid. A protection shield is provided in the spacecraft. A set of radiant heaters (40) is placed along the support mast, where the radiant heaters are arranged downstream from the shield. The shield includes a main part that is placed in front of the reactor. Two geometrical extensions extend laterally from the main part towards the reactor, where the extensions are placed on both sides of the reactor.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un engin spatial comprenant un réacteur nucléaire électrique et un bouclier de protection disposé derrière le réacteur nucléaire.GENERAL TECHNICAL FIELD The invention relates to a spacecraft comprising an electric nuclear reactor and a protective shield disposed behind the nuclear reactor.

ETAT DE LA TECHNIQUE Comme le montre la figure 1, on connait un engin spatial comprenant : - un mât 1 de support ; - un réacteur nucléaire 2 disposé à une extrémité du mât 1 de support, le réacteur nucléaire 2 étant adapté pour générer de la chaleur ; - un bouclier 3 de protection disposé derrière le réacteur nucléaire ; - des panneaux 4 radiants plans disposés de part et d'autre du mât 1 de support, en aval du bouclier 3.STATE OF THE ART As shown in FIG. 1, there is known a spacecraft comprising: a support mast; a nuclear reactor 2 disposed at one end of the support mast 1, the nuclear reactor 2 being adapted to generate heat; a protective shield 3 disposed behind the nuclear reactor; 4 flat radiant panels disposed on either side of the support mast 1, downstream of the shield 3.

En outre, en aval du bouclier 3 sont disposés : - un système de conversion 6 qui permet de convertir la chaleur en énergie électrique permettant d'alimenter des propulseurs de l'engin spatial (non représentés) ; - une unité 9 de gestion et de distribution de puissance; - une charge utile 5 (par exemple, satellite à transporter, électronique, unité de traitement). Le bouclier 3 de protection permet de protéger tous les éléments situés en aval de ce dernier. En effet, le réacteur nucléaire 2 émet des neutrons et des rayons gammas qui sont néfastes aux éléments situés en 25 aval. Le bouclier 3 de protection définit une zone 7 dite « ombre de protection » dans laquelle ces éléments sont disposés afin d'être protégés des rayonnements du réacteur nucléaire 2. De manière connue, le bouclier 3 de protection, a la forme d'un tronc 30 de cône (parfois elliptique), il offre ainsi une ombre de protection de forme conique. Pour des raisons de masse du bouclier 3 de protection, l'angle du cône de celui-ci dans le plan des panneaux radiants est souvent limité à des valeurs faibles (typiquement moins de 15°). Un problème est qu'un engin spatial à propulsion nucléaire doit être équipé d'une grande surface de panneaux radiants afin de pouvoir assurer sa fonction de refroidissement. La forme la plus efficace des panneaux radiants est le plan, les deux faces du panneau radiant rayonnant ainsi vers l'espace. Les panneaux radiants plans ont aussi l'intérêt de pouvoir être orientés perpendiculairement au flux solaire qui ainsi ne diminue pas leur efficacité.In addition, downstream of the shield 3 are arranged: a conversion system 6 which makes it possible to convert the heat into electrical energy making it possible to feed thrusters of the spacecraft (not shown); a unit 9 for managing and distributing power; a payload 5 (for example, satellite to be transported, electronics, processing unit). The protection shield 3 protects all the elements located downstream of the latter. Indeed, the nuclear reactor 2 emits neutrons and gamma rays which are harmful to the elements located downstream. The shield 3 of protection defines a zone 7 called "shadow of protection" in which these elements are arranged to be protected from the radiation of the nuclear reactor 2. In known manner, the shield 3 of protection, has the shape of a trunk 30 cone (sometimes elliptical), it offers a protective shade of conical shape. For reasons of mass protection shield 3, the angle of the cone thereof in the plane of the radiant panels is often limited to low values (typically less than 15 °). A problem is that a nuclear powered spacecraft must be equipped with a large surface of radiant panels in order to be able to perform its cooling function. The most effective form of radiant panels is the plane, with both sides of the radiant panel radiating to space. Flat radiant panels also have the advantage of being oriented perpendicular to the solar flux which thus does not reduce their efficiency.

Or compte tenu, de la forme conique de l'ombre du bouclier de protection, les panneaux radiants plans doivent être aménagés en triangle, il faut donc un mât très long ce qui engendre des pénalités de masse pour certains éléments de l'engin spatial (masse du mât, des câbles, et des canalisations pour faire circuler le fluide dans les radiateurs). Une telle solution favorise un allègement de la masse du bouclier au détriment de la masse d'autres éléments de l'engin spatial (mât, câbles, canalisations). L'aménagement en triangle des panneaux radiants est également pénalisant du point de vue la distribution du fluide. Pour les petites puissances (typiquement de l'ordre de 100kWe), cette solution peut être la meilleure en termes de masse globale du système. Toutefois, pour des fortes puissances (au-delà du MWe), les surfaces des panneaux radiants sont telles qu'il est possible que la configuration conique de la zone d'ombre soit très pénalisante en termes de masse globale de l'engin spatial.Given the conical shape of the shade of the protective shield, the flat radiant panels must be arranged in a triangle, so a very long mast is required, which generates mass penalties for certain elements of the spacecraft ( mass of the mast, cables, and pipes to circulate the fluid in the radiators). Such a solution promotes a lightening of the mass of the shield at the expense of the mass of other elements of the spacecraft (mast, cables, pipes). The triangular arrangement of the radiant panels is also penalizing from the point of view of the distribution of the fluid. For small powers (typically of the order of 100kWe), this solution may be the best in terms of the overall mass of the system. However, for high power (beyond the MWe), the surfaces of the radiant panels are such that it is possible that the conical configuration of the shadow zone is very penalizing in terms of the overall mass of the spacecraft.

PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet d'avoir un engin spatial à propulsion nucléaire possédant une zone d'ombre de protection permettant d'aménager plus facilement de grandes surfaces de refroidissement.PRESENTATION OF THE INVENTION The invention makes it possible to have a nuclear propulsion spacecraft having a protective shade zone making it possible to easily develop large cooling surfaces.

A cet effet, l'invention propose un engin spatial comprenant - un mât adapté pour supporter une charge utile ; - un réacteur nucléaire adapté pour chauffer un fluide ; - un bouclier de protection ; - des panneaux radiants disposés le long du mât de support, en aval du bouclier ; l'engin spatial est caractérisé en ce que le bouclier de protection comprend une partie principale disposée derrière le réacteur nucléaire, et au moins deux extensions géométriques s'étendant latéralement de la partie principale vers le réacteur nucléaire, les extensions géométriques étant disposées de part et d'autre du réacteur nucléaire.For this purpose, the invention proposes a spacecraft comprising: a mast adapted to support a payload; a nuclear reactor adapted to heat a fluid; - a shield of protection; radiant panels arranged along the support mast, downstream of the shield; the spacecraft is characterized in that the protective shield comprises a main part disposed behind the nuclear reactor, and at least two geometric extensions extending laterally from the main part towards the nuclear reactor, the geometrical extensions being arranged on each side and other of the nuclear reactor.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la partie principale est en forme de tronc de cône centrée sur le mât ; - les extensions sont de forme parallélépipédique ; - le bouclier de protection est en matériau choisi parmi le groupe suivant : lithium en dans le cas de la protection neutronique, tungstène dans le cas de la protection contre les rayonnements gamma ; - il comprend au moins deux panneaux radiants plans modulaires et identiques disposés de part et d'autre du mât ; - il comprend quatre panneaux radiants modulaires identiques disposés autour du mât, le bouclier comprenant quatre extensions ; - il comprend un convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique disposé entre le bouclier de protection est les radiateurs. L'invention prévoit par rapport à l'art antérieur connu et présenté dans la partie introductive, un bouclier constitué de deux parties : une en tronc de cône (éventuellement elliptique) et une partie qui s'étend le long du réacteur nucléaire dans le plan des panneaux radiants. L'invention permet par conséquent d'agrandir l'ombre du bouclier dans le plan des panneaux radiants, ce qui facilite l'aménagement de ceux-ci en 30 aval du réacteur nucléaire et permet de réduire la masse du mât, des câbles et des canalisations de fluide alimentant le panneau radiant.The invention is advantageously completed by the following features, taken alone or in any of their technically possible combination: the main part is in the form of a truncated cone centered on the mast; the extensions are of parallelepipedal shape; the protective shield is made of a material chosen from the following group: lithium in the case of neutron protection, tungsten in the case of protection against gamma radiation; it comprises at least two modular and identical flat radiant panels arranged on either side of the mast; it comprises four identical modular radiant panels arranged around the mast, the shield comprising four extensions; - It includes a converter of thermal energy into electrical energy disposed between the protective shield and the radiators. According to the prior art known and presented in the introductory part, the invention provides a shield consisting of two parts: a truncated cone (possibly elliptical) and a part that extends along the nuclear reactor in the plane radiant panels. The invention therefore makes it possible to enlarge the shade of the shield in the plane of the radiant panels, which facilitates the development of these downstream of the nuclear reactor and makes it possible to reduce the mass of the mast, cables and cables. fluid pipes supplying the radiant panel.

Par conséquent, il est possible d'optimiser la masse globale de l'engin spatial pour les engins spatiaux de très forte puissance (quand la masse des parties supplémentaires du bouclier est inférieure à la masse supplémentaire qu'auraient le mât, les câbles et les canalisations si le bouclier était un simple tronc de cône). PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre la figure 1 déjà discutée : - les figures 2a et 2b illustrent deux vues d'un spatial conforme à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre une vue détaillée d'un engin spatial conformé à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement une ombre d'un bouclier de protection d'un engin spatial conforme à un mode de réalisation de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec les figures 2a et 3 un engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprend, comme déjà présenté dans la partie introductive - un mât 1 adapté pour supporter une charge utile 5 ; - un réacteur nucléaire 2 adapté pour chauffer un fluide ; - un bouclier 30 de protection ; - au moins deux panneaux radiants 40 disposés perpendiculairement au mât 1 de support, en aval du bouclier 30 et derrière la charge utile 5.Therefore, it is possible to optimize the overall mass of the spacecraft for very high powered spacecraft (when the mass of the additional parts of the shield is less than the additional mass that the mast, cables and pipes if the shield was a simple truncated cone). PRESENTATION OF THE FIGURES Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the appended drawings in which, in addition to FIG. 1 already discussed: Figures 2a and 2b illustrate two views of a space according to one embodiment of the invention; FIG. 3 illustrates a detailed view of a spacecraft according to one embodiment of the invention; - Figure 4 schematically illustrates a shadow of a protective shield of a spacecraft according to one embodiment of the invention. In all the figures, similar elements bear identical references. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In connection with FIGS. 2a and 3, an electric nuclear propulsion spacecraft comprises, as already presented in the introductory part - a mast 1 adapted to support a payload 5; a nuclear reactor 2 adapted to heat a fluid; a shield 30 of protection; at least two radiant panels 40 arranged perpendicular to the support mast 1, downstream of the shield 30 and behind the payload 5.

Le réacteur nucléaire 2 permet de chauffer un fluide qui permet de produire une certaine quantité de chaleur qui est transformée en énergie électrique par un convertisseur 6 qui alimente un propulseur électrique (non représenté) connecté à une source d'ergol (non représentée).The nuclear reactor 2 is used to heat a fluid which produces a certain amount of heat which is converted into electrical energy by a converter 6 which supplies an electric thruster (not shown) connected to a propellant source (not shown).

Le convertisseur 6 permet d'alimenter les panneaux radiants 40 permettant de refroidir le fluide afin de créer une source froide pour que la chaleur puisse être convertie en énergie électrique. Le convertisseur 6 permet également d'alimenter les composants de la charge utile 5 en électricité.The converter 6 supplies the radiant panels 40 for cooling the fluid to create a cold source so that the heat can be converted into electrical energy. The converter 6 also makes it possible to supply the components of the payload 5 with electricity.

Le convertisseur 6 est par exemple un convertisseur de type thermo- électrique, Stirling, ou Brayton, par exemple. Le bouclier 30 de protection est constitué de deux parties : une partie principale 31 et d'au moins deux extensions 32, 33. La partie principale 31 peut être un cylindre ou bien, de préférence, 15 pour diminuer la masse et l'encombrement en forme de tronc de cône. La première partie 31 est disposée derrière le réacteur nucléaire 2 et est couplée au mât 1 de support. Les deux extensions 32, 33 sont couplées à la première partie 31 et s'étendent latéralement de la partie principale 31 vers le réacteur 2 nucléaire. 20 En outre, les extensions sont disposées de part et d'autre du réacteur 2 nucléaire. Les extensions 32, 33 sont de forme générale parallélépipédique et peuvent être couplées à la partie principale par tout moyen connu en soi. De manière alternative, les extensions 32, 33 peuvent être d'une pièce avec la 25 partie principale 31. La partie principale 31 du bouclier ainsi que ses extensions 32, 33 sont en matériau choisi parmi le groupe suivant : lithium en dans le cas de la protection neutronique, tungstène dans le cas de la protection contre les rayonnements gamma.The converter 6 is for example a thermoelectric type converter, Stirling, or Brayton, for example. The shield 30 consists of two parts: a main part 31 and at least two extensions 32, 33. The main part 31 can be a cylinder or, preferably, to reduce the mass and the bulk truncated cone shape. The first portion 31 is disposed behind the nuclear reactor 2 and is coupled to the support mast 1. The two extensions 32, 33 are coupled to the first portion 31 and extend laterally from the main portion 31 to the nuclear reactor 2. In addition, the extensions are arranged on both sides of the nuclear reactor 2. The extensions 32, 33 are of parallelepipedal general shape and can be coupled to the main part by any means known per se. Alternatively, the extensions 32, 33 may be integral with the main portion 31. The main portion 31 of the shield and its extensions 32, 33 are made of a material selected from the following group: lithium in the case of neutron protection, tungsten in the case of protection against gamma radiation.

Le fait de prévoir un bouclier avec de telles extensions permet d'agrandir l'ombre de protection comparativement à celle obtenue avec un bouclier de l'art antérieur. En relation avec la figure 4, l'ombre 60 obtenue avec le bouclier comprenant des extensions est parallélépipédique tandis que l'ombre 6 obtenue avec un bouclier sans extensions en tronc de cône est conique. De manière alternative, l'engin spatial comprend quatre panneaux radiants répartis autour du mât, le bouclier comprend alors quatre extensions identiques.Providing a shield with such extensions makes it possible to increase the protection shade compared to that obtained with a shield of the prior art. In relation to FIG. 4, the shadow 60 obtained with the shield comprising extensions is parallelepipedal while the shadow 6 obtained with a shield without truncated cone extensions is conical. Alternatively, the spacecraft comprises four radiant panels distributed around the mast, the shield then comprises four identical extensions.

Ainsi, grâce au bouclier à extensions des panneaux radiants 40 rectangulaires de très grandes dimensions peuvent être positionnés autour du mât 1 alors que dans l'art antérieur, pour la même capacité de refroidissement du fluide il fallait prévoir un mat plus long, des câbles plus longs, des canalisations plus longues pour aménager les radiateurs 4. La masse globale du système s'en trouve ainsi réduite. Par ailleurs, les panneaux radiants peuvent être constitués d'un ensemble de modules identiques, simplifiant la conception et réduisant le coût de développement.Thus, thanks to the extension shield of the rectangular radiator panels 40 of very large dimensions can be positioned around the mast 1 whereas in the prior art, for the same fluid cooling capacity it was necessary to provide a longer mat, more cables Longer, longer pipes to accommodate the radiators 4. The overall mass of the system is thus reduced. In addition, the radiant panels can consist of a set of identical modules, simplifying the design and reducing the cost of development.

Claims (7)

REVENDICATIONS1. Engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprenant : - un mât (1) adapté pour supporter une charge utile (5) ; - un réacteur (2) nucléaire adapté pour chauffer un fluide ; - un bouclier (30) de protection ; - des panneaux radiants (40) disposés le long du mât (1) de support, en aval du bouclier (3) ; l'engin spatial est caractérisé en ce que le bouclier (30) de protection comprend une partie (31) principale disposée devant le réacteur (2) nucléaire, et au moins deux extensions géométriques (32, 33) s'étendant latéralement de la partie principale (31) vers le réacteur (2) nucléaire, les extensions géométriques (32, 33) étant disposées de part et d'autre du réacteur (2) nucléaire.REVENDICATIONS1. An electric nuclear propulsion spacecraft comprising: - a mast (1) adapted to support a payload (5); a nuclear reactor (2) adapted to heat a fluid; a shield (30) for protection; - Radiant panels (40) arranged along the support mast (1), downstream of the shield (3); the spacecraft is characterized in that the shield (30) of protection comprises a main portion (31) disposed in front of the nuclear reactor (2), and at least two geometric extensions (32, 33) extending laterally from the portion main (31) to the nuclear reactor (2), the geometric extensions (32, 33) being disposed on both sides of the nuclear reactor (2). 2. Engin spatial selon la revendication 1, dans lequel la partie principale (31) est en forme de tronc de cône centrée sur le mât (1).2. Spacecraft according to claim 1, wherein the main portion (31) is in the form of a truncated cone centered on the mast (1). 3. Engin spatial selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les extensions (32, 33) sont de forme parallélépipédique.3. Spacecraft according to one of the preceding claims, wherein the extensions (32, 33) are of parallelepiped shape. 4. Engin spatial selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le bouclier (30) de protection est en matériau choisi parmi le groupe suivant : 25 lithium en dans le cas de la protection neutronique, tungstène dans le cas de la protection contre les rayonnements gamma.4. Spacecraft according to one of the preceding claims, wherein the shield (30) of protection is made of material selected from the following group: lithium in the case of neutron protection, tungsten in the case of protection against gamma radiation. 5. Engin spatial selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins deux panneaux radiants plans modulaires et identiques disposés de 30 part et d'autre du mât.5. Spacecraft according to one of the preceding claims, comprising at least two modular and identical flat radiant panels disposed on either side of the mast. 6. Engin spatial selon l'une des revendications précédentes, comprenant quatre panneaux radiants modulaires identiques disposés autour du mât, le bouclier comprenant quatre extensions.6. Spacecraft according to one of the preceding claims, comprising four identical modular radiant panels arranged around the mast, the shield comprising four extensions. 7. Engin spatial selon l'une des revendications précédentes, comprenant un convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique disposé entre le bouclier (31, 32, 33) de protection et les radiateurs (40).7. Spacecraft according to one of the preceding claims, comprising a thermal energy converter into electrical energy disposed between the shield (31, 32, 33) of protection and radiators (40).
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