基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，包括：空间核反应堆、布雷顿热电转换子系统、热排散子系统、循环工质储供子系统、反应堆辅助散热子系统、电推进子系统和电负载子系统。以氦氙混合气体作为循环工质实现高效热电转换，并且采用高电压直驱的高比冲大推力电推力器进行高效推进。系统解决了核动力飞行器高效热电转换问题、电机端高电压与电推力器低电压不匹配的问题、大范围电功率调节问题。

Space High Power Nuclear Power System Based on Closed Brayton Cycle

The invention provides a space high-power nuclear power system based on closed Brayton cycle, which includes: space nuclear reactor, Brayton thermoelectric conversion subsystem, heat exhaust subsystem, circulating refrigerant storage and supply subsystem, reactor auxiliary heat dissipation subsystem, electric propulsion subsystem and load subsystem. The helium-xenon mixture is used as circulating working fluid to realize high efficiency thermoelectric conversion, and the high specific impulse and high thrust electric thruster driven by high voltage direct drive is used for high efficiency propulsion. The system solves the problems of high efficiency thermoelectric conversion of nuclear power vehicle, mismatch between high voltage of motor end and low voltage of electric thruster, and wide range electric power regulation.

【技术实现步骤摘要】
基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统
本专利技术涉及飞行器动力系统领域，具体地，涉及基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统。
技术介绍
目前空间核动力飞行器主要利用同位素衰变，小部分反应堆核电源也仍然处于千瓦级以内的小功率范围。同时，在热电转换的方式上，仍然以热电偶、热离子等静态转换为主，热电转换效率不超过10％。随着航天技术的不断发展，空间飞行器呈现出载荷多样化和任务复杂化的发展趋势，飞行器的设备组成也越来越复杂，对能源的需求也逐渐向百千瓦甚至兆瓦级发展。因此需要发展大功率、高效的核动力系统以满足飞行器对能源与动力日趋严苛的要求。目前国内没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统。根据本专利技术提供的一种基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，包括：空间核反应堆、布雷顿热电转换子系统、热排散子系统、循环工质储供子系统、反应堆辅助散热子系统、电推进子系统和电负载子系统；空间核反应堆通过内部加热管路提高布雷顿热电转换子系统循环工质温度，热电转换子系统中的涡轮将高温高压的循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率用于驱动压气机完成工质循环增压，盈余轴功率驱动发电机输出电能；布雷顿热电转换子系统通过管道一、管道二、线缆一、线缆二分别与热排散子系统、循环工质储供子系统、电推进子系统连接、电负载子系统连接。较佳的，所述空间核反应堆为兆瓦级的小型空间堆，以氦气或者氦氙混合气体作为载热剂将反应堆内部热量导出。较佳的，所述的布雷顿热电转换子系统，包括加热管、涡轮、压气机、发电机、回热器、冷却器、旁通阀、温度传感器、压力传感器和转速传感器；所述的涡轮包含轴流式、向心式涡轮在内的单级或者多级涡轮，所述的压气机包含轴流式、离心式压气机在内的单级或者多级压气机，所述的发电机具备电动机和发电机两种工作模式的启发一体发电机，所述的涡轮、压气机、电机采用同轴的配置方式，所述的回热器包括气-气换热器，所述的冷却器包括气-液换热器，所述的旁通阀通过电机驱动控制开度的阀门，所述的加热管位于所述的空间核反应堆内用于加热循环工质的管路。较佳的，所述的热排散子系统，包括辐射散热器和循环泵；所述的辐射散热器包括热管式、流体回路式或者液滴式散热器，所述的循环泵用于驱动冷却液在所述的布雷顿热电转换系统中的冷却器和所述的辐射散热器内完成换热循环。较佳的，所述的循环工质储供子系统，包括：高压气瓶、电爆阀、充气电磁阀、减压器、充气单向阀、抽气电磁阀、抽气机和抽气单向阀；所述的高压气瓶内部充有氦氙混合气体，所述的抽气机包括离心式或者容积式压气机。较佳的，所述的反应堆辅助散热子系统，包括：冷却管路、氦气气瓶、氦气电爆阀、氦气电磁阀、氦气压气机和气体散热器；所述的氦气气瓶中的氦气用于所述的反应堆辅助散热子系统冷却剂，所述的氦气压气机包括离心式或者容积式压气机，所述的气体散热器包括氦气辐射散热器。较佳的，所述的电推进子系统，包括：氙气气瓶和电推力器；所述的电推力器为高电压直驱式电推力器。较佳的，所述的电负载子系统，包括：电压转换器和负载模块；所述的电压转换器将发电机端高电压转换为负载所需的电压。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1)以氦氙混合气体为循环工质，采用闭式布雷顿循环进行热电转换，转换效率30％以上，实现了核能向电能及动力的高效转换；2)高电压直驱式电推进系统，直接利用热电转换系统产生的大功率高压电能驱动电推力器，取消了电源处理单元，减小了电推进系统的重量及结构复杂性，同时电推力器具有不低于7000s的高比冲和40N的大推力；3)具备旁通调节和抽气调节两种响应速度不同的功率调节模式，满足飞行器不同任务的能量和动力需求。本专利技术适用于以核能为动力，长期在轨运行的飞行器，尤其是在深空探测、空间拖船和近地轨道清理等方面有显著的应用优势。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术实施例一提供的基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统的结构示意图；附图标记：1-空间核反应堆；2-布雷顿热电转换子系统；21-加热管；22-涡轮；23-压气机；24-发电机；25-回热器；26-冷却器；27-旁通阀；28-温度传感器；29-压力传感器；210-转速传感器；3-热排散子系统；31-循环泵；32-辐射冷却器；4-循环工质储供子系统；41-高压气瓶；42-电爆阀；43-充气电磁阀；44-减压器；45-充气单向阀；46-抽气电磁阀；47-抽气机；48-抽气单向阀；5-反应堆辅助冷却子系统；51-冷却管路；52-氦气气瓶；53-氦气电爆阀；54-氦气电磁阀；55-氦气压气机；56-气体散热器；6-电推进子系统；61-氙气气瓶；62-电推力器；7-电负载子系统；71-电压转换器；72-负载模块；81-管道一；82-线缆一；83-线缆二；84-管道二。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例一：图1为本专利技术实施例一提供的基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统结构示意图。如图1所示，本专利技术提供的基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，包括空间核反应堆1、布雷顿热电转换子系统2、热排散子系统3、循环工质储供子系统4、反应堆辅助散热子系统5、电推进子系统6、电负载子系统7。空间核反应堆1通过内部加热管21提高布雷顿热电转换子系统2的氦氙循环工质温度，布雷顿热电转换子系统2中的涡轮22将高温高压的循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率用于驱动压气机23完成工质循环增压，盈余轴功率驱动发电机24输出电能。布雷顿热电转换子系统2通过管道一81、管道二84、线缆一82、线缆二83分别与循环工质储供子系统4、热排散子系统3、电推进子系统6、电负载子系统7连接。所述的空间核反应堆1是一种兆瓦级的小型空间堆，能够以氦气或氦氙混合气体作为载热剂将反应堆内部热量导出。所述的布雷顿热电转换子系统2，包括加热管21、涡轮22、压气机23、发电机24、回热器25、冷却器26、旁通阀27、温度传感器28、压力传感器29、转速传感器210。所述的涡轮22是指包含轴流式、向心式涡轮在内的单级或者多级涡轮，所述的压气机23是指包含轴流式、离心式压气机在内的单级或者多级压气机，所述的发电机24是指具备电动机和发电机两种工作模式的启发一体发电机，所述的涡轮22、压气机23、电机24采用同轴的配置方式，所述的回热器25是指具有高紧凑度和换热效率的气-气换热器，所述的冷却器26是指具有高紧凑度和换热效率的气-液换热器，所述的旁通阀27是指通过电机驱动控制开度的阀门，所述的加热管21是指位于所述的空间核反应堆1内用于加热循环工质的管路。所述的热排散子系统3，包括循环泵31和辐射散热器32。所述的循环泵31用于驱动冷却液在所述的布雷顿热电转换系统2中的冷却器26和所述的辐射散热器32内完成换热循环，所述的辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，其特征在于，包括：空间核反应堆、布雷顿热电转换子系统、热排散子系统、循环工质储供子系统、反应堆辅助散热子系统、电推进子系统和电负载子系统；空间核反应堆通过内部加热管路提高布雷顿热电转换子系统循环工质温度，热电转换子系统中的涡轮将高温高压的循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率用于驱动压气机完成工质循环增压，盈余轴功率驱动发电机输出电能；布雷顿热电转换子系统通过管道一、管道二、线缆一、线缆二分别与热排散子系统、循环工质储供子系统、电推进子系统连接、电负载子系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，其特征在于，包括：空间核反应堆、布雷顿热电转换子系统、热排散子系统、循环工质储供子系统、反应堆辅助散热子系统、电推进子系统和电负载子系统；空间核反应堆通过内部加热管路提高布雷顿热电转换子系统循环工质温度，热电转换子系统中的涡轮将高温高压的循环工质热能转换为轴功率，部分轴功率用于驱动压气机完成工质循环增压，盈余轴功率驱动发电机输出电能；布雷顿热电转换子系统通过管道一、管道二、线缆一、线缆二分别与热排散子系统、循环工质储供子系统、电推进子系统连接、电负载子系统连接。2.根据权利要求1所述的基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，其特征在于，所述空间核反应堆为兆瓦级的小型空间堆，以氦气或者氦氙混合气体作为载热剂将反应堆内部热量导出。3.根据权利要求1所述的基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，其特征在于，所述的布雷顿热电转换子系统，包括加热管、涡轮、压气机、发电机、回热器、冷却器、旁通阀、温度传感器、压力传感器和转速传感器；所述的涡轮包含轴流式、向心式涡轮在内的单级或者多级涡轮，所述的压气机包含轴流式、离心式压气机在内的单级或者多级压气机，所述的发电机具备电动机和发电机两种工作模式的启发一体发电机，所述的涡轮、压气机、电机采用同轴的配置方式，所述的回热器包括气-气换热器，所述的冷却器包括气-液换热器，所述的旁通阀通过电机驱动控制开度的阀门，所述的加热管位于所述的空间核...

【专利技术属性】
技术研发人员：程诚，王浩明，林庆国，张志远，田桂，尤罡，贾晴晴，李小芳，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31