[发明专利]基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明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。

根据本发明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。