类球形结构高精度矢量合成核能微推进系统技术方案

技术编号:19146221 阅读:44 留言:0更新日期:2018-10-13 09:38
本发明专利技术公开了一种类球形高精度矢量合成核能微推进器,包含类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构。本发明专利技术使用核自发衰变形成的粒子动能形成反冲动力,利用类球形结构排布不同推力指向的推力单元,通过叠层式对旋结构对每个推力单元进行独立、连续控制,以形成总推力的大小和方向高精度可调的微推进器,并将衰变伴生的热能进一步转化为电源和热源使用且本发明专利技术特别适应高精高稳平台的精确控制应用。

Spherical like structure high precision vector synthesis nuclear micro propulsion system

The invention discloses a spherical-like high-precision vector synthesis nuclear energy micro-thruster, which comprises five substructures: a spherical-like vector synthesis support, a nuclear power panel, a panel control switch, a panel heat transfer unit and a thermoelectric conversion center. The invention uses the kinetic energy of particles formed by nuclear spontaneous decay to form recoil power, uses spherical-like structure to arrange thrust units with different thrust directions, and controls each thrust unit independently and continuously through a laminated counter-rotating structure to form a micro-thruster with high precision and adjustable total thrust and direction, and accompanies the decay. The raw heat energy is further converted into a power source and a heat source, and the present invention is particularly suitable for precise control applications of high precision and high stability platforms.

【技术实现步骤摘要】
类球形结构高精度矢量合成核能微推进系统
本专利技术属于空间核能推进、微推进和矢量推进
,具体而言,本专利技术涉及一种类球形结构高精度矢量合成核能微推进器,具体为是面向航天器应用的、核能推力面元通过类足球结构进行合成、通过面元开关进行大小、开闭状态控制的高精度矢量推力合成推进系统。
技术介绍
近年来,随着空间科技的不断发展以及空间探索的持续深入,空间飞行器的动力源种类逐渐丰富,从微牛量级至千牛以上的动力系统,姿态调整系统层出不穷,与之配套的推进装置在不断的实践中也逐渐产生了许多改变和革新。目前,国际上先进推进的种类很多,已有的先进电推进有近十种方案,涉研单位广泛,成熟度不一,非电推进也有很多方案,如:微波/激光(合称能量束)推进、聚变、电帆、金属氢、高氮化合物、反物质、裂变碎片推进等。这些先进推进很多处于TRL<3阶段,先进推进领域研究还很不充分。核能推进是航天器先进推进技术的前沿之一。在各种先进推进中,核能具有能量密度高、寿命长、比冲大的特点,是先进推进研发的前沿之一,NASA在“未来空间技术发展路线”和“三十项关键技术”都提到要大力发展先进核能推进。目前,核能推进的关注点几乎围绕在核热推进,其核心是一个裂变堆,而裂变以外其他核能推进都属于尚无足够技术支撑的超前概念,如核聚变,反物理和裂变碎片等。基于裂变的核热推进也处于起步阶段,国际上核裂变应用于空间推进还处于理论与实验研究阶段(主要是美、俄),国内尚无相关的空间实验。核裂变堆最大的困难在于小型化,其受到裂变临界体积的限制,目前不能达到立方米以下的体积、吨以内的质量,并不适应小型化应用。推进系统的另一个热点方向是微推进,微推进器一般指微牛到牛顿量级推力的推进器。AstroRecon会议上总结近期最成熟、有望成为主推进的微推进有三种:碘霍尔电推进器(IodineHall),微型电喷射推进器(MEP,MicroElectrosprayPropulsion)和太阳帆(SolarSails),分别处在TRL5,TRL5,TRL6-7技术阶段。前两者寿命有限,需要kW以上的电能消耗,后者矢量控制难度大,ADCS系统复杂。目前对微推力要求最高的是引力波、重力场测量以及近代基础物理实验的航天器。国际上如LISA(LaserInterferometerSpaceAntenna),GG(GalileoGalilei),GOCE(GravityFieldandSteady-StateOceanCirculationExplorer),TEPO(TestoftheEquivalencePrinciplewithOpticalreadoutinspace),要求微推力精度控制达到0.1微牛,目前仅有少数国家少数推进器类型达到该要求,我国尚无相关能力。航天器,特别是长寿命航天器和深空探测航天器,需要携带大量的推进工质以维持长期消耗,部分计划要求初始超过50%的重量用来携带推进工质,这对航天运载和结构、可靠性、寿命、飞行中任务规划等都带来了巨大挑战。寻找无/少工质的推进方式是航天推进永不失活的命题,但目前缺少实现途径。矢量推进是能够改变推力方向与大小的推进方式。气体反冲式、化学反冲式、离子反冲式、核动力式、太阳能式等传统以及新型空间动力源,主要依靠推进器姿态调整、扰流板、二次喷流、挠性喷口、喷口叶片等方式。姿态控制方式的工作模式是调整推进器姿势,进而调整推力方向,但姿态控制式的推力矢量控制方式,复杂、缓慢,还因为推进器转动引起星本体角动量变化,从而使得对星本体也要进行消旋和消振操作,使得控制过程更加复杂和缓慢。可见,先进推进领域还在大发展阶段,需要不断补充新概念和新的推进性能范围;核能推进目前还不具有小型化能力;微推进得到了长足发展,但是仍有耗电大和控制难度大两个缺点;无工质推进还在积极寻找实现方式;传统的基于姿态调整的矢量推进,具有需要消旋引起的复杂、缓慢等缺点。因此,对现有航天器用推进装置在原理、结构、理念上进行改变是必要的。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对现有空间矢量推进用姿态调整推力方式的复杂性和对星本体造成额外消旋要求的不足而提供一种基于核能的、对转式开关控制方式的、调整推力的过程不改变星本体角动量的类球形结构高精度矢量合成核能微推进器。为了实现上述目的,本专利技术采用了如下的技术方案:本专利技术的类球形结构高精度矢量合成核能微推进器,包括类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构,其中类球形矢量合成支架,其为一类球形外凸构型,由一到多种正多边形平面拼接组成类球形结构,使平面上附着的核能动力面元的独立推力指向类球形结构中心,进而提供了分推力的矢量合成为总推力的基本构型,是高精度推力和方向控制的结构基础;核能动力面元,由薄膜基底上附着α放射性衰变材料形成;α放射性衰变材料向基底侧2π空间发射的α粒子被基底阻挡吸收,不形成推力,向开放的2π空间发射的α粒子,形成推力;该面元的推力垂直于面元表面,从基底侧指向α放射性衰变材料侧,面元开放面积提供推力,被遮挡面积不提供推力,在消耗尽前恒发热;面元与面元控制开关的最大开放孔径尺寸一致、配准,位于面元控制开关底部;面元控制开关对核能动力面元的面积、推力进行连续控制;面元控制开关成叠层环形,形成中央通道;面元的面积遮挡结构采用多叶结构,嵌入控制结构中;开关采用对旋方式,控制结构正转,多叶结构反转打开,通道扩大,面元提供的推力变大;反之亦然,控制结构反转,多叶结构正转关闭,通道缩小,面元提供的推力变小;面元传热中心为高导热材料的中空管构成,连接每个核能动力面元与热电转换中心,使得面元与热电转换中心的热端充分换热;中空内部穿行面元控制开关的控制走线;热电转换中心具有热端、热电转换器件和冷端三层结构,热端和冷端形成温差,通过热电转换器件持续发电;冷端仍有较高热量,继续作为航天器热源使用。进一步地,使用核能自发衰变能的粒子动能作为直接动力形成无源的微推进器,是将衰变源等效替换为自发辐射α衰变源或中子源。进一步地,使用核能实现推进、发电、发热的复合功能;核衰变中质量亏损获得的能量主要以α粒子的动能形式存在,使用该动能形成反冲推力,被基底和其他结构阻挡的α粒子动能最终转化为薄膜热量,进行热传导和热电转化,实现发电,再利用冷端余热,成为无源推进器、同位素电池、同位素热源的统一体。进一步地,采用对旋方式进行推力单元的开关方式,从而推力调整过程不引入航天器本体的角动量变动,不需要星本体额外消旋、消震。进一步地,将超声电机与光阑通过适应性设计将二者集成在一起形成面元控制开关,旋转电机本身与环形负载之间的相互配合实现每个核能动力面元足够的面积占比和高效的独立控制。进一步地,面元控制开关的超声电机可任意停止,从而实现光阑的孔径大小连续可调,相应的动力大小可任意调整。进一步地,面元控制开关的断电摩擦自锁特性,从而实现光阑的孔径大小在两次控制动作之间可断电。进一步地,采用单一平面构成类足球面,或者采用多种不同尺寸的平面拼接构成类球形。进一步地,上述的单一平面为三角形、圆形或六角形。本专利技术具有如下的有益效果:(1)该推进器分属核能推进、微推进、无工质推进、无源推进、高精度矢量推进和同位素电池拓展应用范本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.类球形高精度矢量合成核能微推进系统,包括但不限于:类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构,其特征在于:类球形矢量合成支架,其为一类球形外凸构型,由一到多种正多边形平面拼接组成类球形结构,使平面上附着的核能动力面元的独立推力指向类球形结构中心,进而提供了分推力的矢量合成为总推力的基本构型,是高精度推力和方向控制的结构基础;核能动力面元,由薄膜基底上附着α放射性衰变材料形成;α放射性衰变材料向基底侧2π空间发射的α粒子被基底阻挡吸收,不形成推力,向开放的2π空间发射的α粒子,形成推力;该面元的推力垂直于面元表面,从基底侧指向α放射性衰变材料侧,面元开放面积提供推力,被遮挡面积不提供推力,衰变材料在放射性耗尽前恒定发热;面元与面元控制开关的最大开放孔径尺寸一致、配准,位于面元控制开关底部;面元控制开关对核能动力面元的面积、推力进行连续控制;面元控制开关成叠层环形,形成中央通道;面元的面积遮挡结构采用多叶结构,嵌入控制结构中;开关采用对旋方式,控制结构正转,多叶结构反转打开,通道扩大,面元提供的推力变大;反之亦然,控制结构反转,多叶结构正转关闭,通道缩小,面元提供的推力变小;面元传热中心为高导热材料的中空管构成,连接每个核能动力面元与热电转换中心,使得面元与热电转换中心的热端充分换热;中空内部穿行面元控制开关的控制走线;热电转换中心具有热端、热电转换器件和冷端三层结构,热端和冷端形成温差,通过热电转换器件持续发电;冷端仍有较高热量,继续作为航天器热源使用。...

【技术特征摘要】
1.类球形高精度矢量合成核能微推进系统,包括但不限于:类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构,其特征在于:类球形矢量合成支架,其为一类球形外凸构型,由一到多种正多边形平面拼接组成类球形结构,使平面上附着的核能动力面元的独立推力指向类球形结构中心,进而提供了分推力的矢量合成为总推力的基本构型,是高精度推力和方向控制的结构基础;核能动力面元,由薄膜基底上附着α放射性衰变材料形成;α放射性衰变材料向基底侧2π空间发射的α粒子被基底阻挡吸收,不形成推力,向开放的2π空间发射的α粒子,形成推力;该面元的推力垂直于面元表面,从基底侧指向α放射性衰变材料侧,面元开放面积提供推力,被遮挡面积不提供推力,衰变材料在放射性耗尽前恒定发热;面元与面元控制开关的最大开放孔径尺寸一致、配准,位于面元控制开关底部;面元控制开关对核能动力面元的面积、推力进行连续控制;面元控制开关成叠层环形,形成中央通道;面元的面积遮挡结构采用多叶结构,嵌入控制结构中;开关采用对旋方式,控制结构正转,多叶结构反转打开,通道扩大,面元提供的推力变大;反之亦然,控制结构反转,多叶结构正转关闭,通道缩小,面元提供的推力变小;面元传热中心为高导热材料的中空管构成,连接每个核能动力面元与热电转换中心,使得面元与热电转换中心的热端充分换热;中空内部穿行面元控制开关的控制走线;热电转换中心具有热端、热电转换器件和冷端三层结构,热端和冷端形成温差,通过热电转换器件持续发电;冷端仍有较高热量,继续作为航天器热源使用。2.如权利要求1所述的类球形高精度矢量合成核能微推进系统,其特征在于:使用核能自发...

【专利技术属性】
技术研发人员:夏彦徐飞何世熠王鹏肖文磊姜利祥欧学东欧阳晓平
申请(专利权)人:北京卫星环境工程研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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