ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G21C1/00 G21D1/00 G21D5/00 

Изобретение относится к ядерным ракетным двигателям (ЯРД) и может быть использовано в ЯРД с твердой активной зоной.

Известен ЯРД, содержащий реактор с активной зоной из графита с диспергированным в нем топливом, выполненной из отдельных сегментных блоков, имеющих по своей высоте сквозные каналы и установленные вокруг центральной осевой полости реактора так, что названные каналы выходят одним концом в полость, а другим в кольцевой зазор, образованный снаружи сегментных блоков. Центральная полость реактора сообщается с выхлопным соплом, закрепленным со стороны огневого днища реактора. Геометрическая форма реактора образована путем вращения равнобокой трапеции, из состыкованных друг с другом сегментных блоков вокруг оси, параллельной ее большему основанию. Реактор имеет регулирующие стержни, размещенные в его центральной осевой полости и графитовый отражатель, размещенный между наружным силовым и внутренним - перфорированный слоями корпуса реактора. Активная зона размещена в корпусе реактора с упомянутым выше кольцевым зазором, полость которого с помощью отверстий во внутреннем слое корпуса реактора сообщается с трактами охлаждения отражателя и сопла.

При работе ЯРД рабочее тело водород, проходит через рубашку сопла, тракты отражателя, отверстия во внутреннем слое корпуса реактора, поступает в кольцевой зазор, протекает в радиальном направлении через каналы сегментных блоков активной зоны, поступает в центральную осевую полость реактора и истекает через выхлопное сопло.

Охлаждение активной зоны потоком водорода в радиальном направлении от периферии к центру реактора, обеспечивает сжимающие напряжения в материалах активной зоны и самоуравновешивание усилий, вызываемых перепадом давления и силами трения в каналах сегментных блоков (пат. США N 3150654, НКИ 123-191, опубл. 18.05.62).

Недостатки известного ЯРД заключаются в сложности изготовления корпуса высокого давления реактора нецилиндрической формы и ненадежности стержневой системы регулирования реактивности, размещенной в центральной, самой высокотемпературной области реактора. Кроме того, в сегментной активной зоне возможны неконтролируемые перетечки водорода между стыками сегментов, приводящие к существенным неравномерностям температурного поля в сегментах и их растрескиванию.

Известен ЯРД, содержащий реактор с корпусом высокого давления, в котором размещены боковой отражатель и активная зона, образованная пакетом цилиндрических тепловыделяющих сборок (ТВС), имеющих каналы для протока рабочего тела. Активная зона размещается в теплоизолирующей оболочке, которая концами герметично крепится в верхнем и нижнем днищах реактора с помощью гибких колец. Дополнительно каждая ТВС крепится в соответствующем отверстии верхнего днища с помощью резьбовой трубки так, что между днищем и торцами ТВС образуется полость, которая с помощью специального трубопровода соединена с вакуумным насосом. Нижние торцы ТВС выведены в сборную полость выхлопного сопла.

При работе ЯРД рабочее тело водород, проходит через рубашку сопла, через отверстия в нижнем днище поступает в продольные каналы бокового отражателя и корпуса реактора, затем через периферийные отверстия верхнего днища поступает в напорную полость над днищем, откуда по резьбовым трубкам проходит в каналы ТВС, нагревается и истекает через выхлопное сопло. Одновременно с прокачкой водорода через ТВС, с помощью вакуумного насоса осуществляется откачка водорода, натекающего в полость под верхним днищем. В результате со стороны нижних торцов ТВС на активную зону действует перепад давления, компенсирующий перепад от гидравлических потерь давления в каналах ТВС и создающий в ТВС сжимающие усилия, компенсирующие вес активной зоны. Это усилие передается на верхнее днище, расположенное в зоне низких температур и далее на силовую раму двигателя (пат. США N 3286486, НКИ 63-32, опубл. 22.11.66).

Недостатки известного ЯРД состоят в следующем.

При работе ЯРД часть запасенного на борту водорода выбрасывается наружу через тракт вакуумного насоса, минуя выхлопное сопло, что ухудшает массо-габаритные характеристики двигателя. При запуске ЯРД, в первоначальный момент прокачки водорода через ТВС, они испытывают растягивающие усилия, что может привести к отрыву ТВС от верхнего днища. Опасность отрыва ТВС также существует при динамических перегрузках, возникающих во время вывода ЯРД на орбиту. Кроме того, узлы герметизации общей теплоизолирующей оболочки активной зоны в верхнем и нижнем днищах с помощью гибких колец, должны работать в условиях вибрации, облучения и водородной среды. Эти узлы являются весьма сложными и ненадежными элементами конструкции ЯРД. Также сложной технологической задачей является изготовление крупноразмерной теплоизолирующей обечайки с плотными стенками.

Известен ЯРД, содержащий реактор с корпусом, в котором размещена активная зона, образованная пакетом шестигранных модулей, закрепленных в верхнем днище реактора и содержащих ТВС с осевыми каналами для прохода рабочего тела
водорода, сообщающимися с выхлопными неохлаждаемыми соплами, изготовленными из тугоплавкого материала, закрепленными на торце каждого модуля и снабженными общей расширительной юбкой в виде усеченного конуса. При работе ЯРД водород протекает сверху вниз через каналы ТВС, нагревается, проходит через сопла и дорасширяется в общей юбке (пат. США N 4246751, НКИ 60-203.1, опубл. 27.01.81).

К недостаткам известного ЯРД следует отнести то, что при верхней схеме закрепления (подвеске) ТВС, каждая из них будет иметь различные и заранее непредсказуемые температурные удлинения, обусловленные неравномерностями энерговыделения по высоте и по сечению активной зоны. В результате срезы индивидуальных сопел при работе двигателя будут сдвигаться друг относительно друга, что может привести к существенным возмущениям в сверхзвуковых потоках и снижению тяги двигателя. Кроме того, при верхней подвеске ТВС возникает опасность быстрого разрушения хрупких керамических деталей активной зоны под действием растягивающих напряжений.

Наиболее близким к заявляемому ЯРД по технической сущности, прототипом, является ЯРД, состоящий из вплотную установленных друг к другу модулей, каждый из которых представляет собой пакет из также вплотную установленных друг к другу кассет, выполненных с цилиндрическими корпусами высокого давления, в которых размещается ТВС, набранные в виде пакета из шестигранных призматических твэлов с осевыми каналами, помещенного в тонкостенную металлическую обечайку со слоем графитовой ткани в качестве теплоизоляции между пакетом твэлов и данной обечайкой. Кассеты снабжены выхлопными неохлаждаемыми соплами, выполненными из высокотемпературного материала. Регулирующие стержни размещаются снаружи кассет в промежутках, образованных между их цилиндрическими корпусами.

Корпус кассеты выполнен из материала с низким сечением поглощения нейтронов, например, из высокопрочного алюминиевого сплава и имеет сферическое днище с патрубками для подачи в кассету рабочего тела водорода из общей системы подводящих трубопроводов. ТВС помещена в тонкостенный стакан - дефлектор, установленный в кассете с кольцевым зазором так, что водород, выходящий с высоким давлением из патрубка внутрь кассеты, проходит по кольцевому зазору сверху вниз, охлаждая внутреннюю поверхность корпуса кассеты и наружную поверхность дефлектора, затем охлаждает узел крепления сопла, поворачивает на 180 ^o и проходит противотоком снизу вверх по высоте кассеты, охлаждает внутреннюю поверхность дефлектора и наружную поверхность обечайки пакета твэлов, поворачивает под крышкой дефлектора на 180 ^o, поступает в осевые каналы призматических твэлов, нагревается до высокой температуры и истекает через выхлопное сопло. Аналогичным образом осуществляется течение водорода в каждой кассете, корпуса которых работают под высоким внутренним давлением водорода, а осевое сжимающее усилие от перепада давления по длине ТВС воспринимается в каждой кассете своей опорной плитой, изготовленной, например, из графита, покрытого карбидом ниобия и являющейся огневым днищем кассеты, в сквозных отверстиях которого, выходящих в сборную полость сопла, закреплены торцы призматических твэлов (пат. США N 3817029, НКИ 376-318, опубл. 18.06.74).

Недостатки известного ЯРД заключаются в увеличении весогабаритных характеристик двигателя из-за необходимости использования толстостенных корпусов высокого давления для кассет, количество которых, как показано в патенте, может превышать сто штук. Силовая развязка кассет друг от друга по внутреннему давлению, требует увеличения трубопроводной арматуры высокого давления, что также ухудшает весогабаритные характеристики двигателя, усложняет его гидравлическую схему и снижает эксплуатационную надежность. Различные температурные удлинения нескрепленных друг с другом кассет, также как и в вышеописанном аналоге, могут привести к значительным смещениям срезов выхлопных сопел друг относительно друга и ухудшению тяговых характеристик двигателя.

Анализ уровня техники в области ЯРД показывает, что известные конструкции ЯРД характеризуются сложностью корпуса высокого давления реактора, узлов крепления высокотемпературных элементов активной зоны и соплового блока двигателя. При модульной компоновке двигателя его весогабаритные характеристики возрастают, а тяговые падают. В результате можно сделать вывод о снижении эксплуатационных характеристик ЯРД и ухудшении его работоспособности.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности и работоспособности ЯРД. Для решения поставленной задачи и достижения цели изобретения, авторами предлагается ЯРД, содержащий реактор, образованный пакетом вплотную установленных друг к другу кассет, каждая из которых, выполнена в виде сосуда давления, в полости которого размещена ТВС, снабженная выхлопным соплом, соединенным на входе последовательно с трактами охлаждения ТВС и корпуса кассеты, причем кассеты выполнены в виде трубок Фильда с тонкостенным наружным чехлом корпусом кассеты в форме правильного многогранника с глухим днищем и осевой трубой, образующей корпус ТВС, в кольцевой полости снаружи которого размещен слой замедлителя, чехлы соседних кассет в горловой части трубок Фильда герметично соединены между собой с образованием верхней стенки коллектора огневого днища и узлов опорного закрепления ТВС, концевые части корпусов ТВС соседних кассет со стороны сопел герметично соединены между собой с образованием нижней стенки коллектора огневого днища и узлов подвески сопел, а коллектор через кольцевые тракты охлаждения сопел соединен с кольцевыми полостями трубок Фильда, пакет которых по боковой поверхности размещен контактно с отражателем, выполненным в виде кольцевого набора призм, охваченного бандажным корсетом силовым корпусом реактора.

Кассеты могут быть выполнены в виде правильного шестигранника со сферическим днищем и цилиндрической горловой частью.

Верхняя и нижняя стенки коллектора огневого днища могут быть соединены друг с другом резьбовыми втулками, установленными концентрично сопловым частям ТВС между сопряженными парами "сборка-сопло" и образующими кольцевые дефлекторы в тракте охлаждения сопел.

Выполнение кассет в виде трубок Фильда с тонкостенным наружным чехлом-корпусом кассеты, имеющим форму правильного многогранника, позволяет, в отличие от прототипа, плотно разместить кассеты по боковым поверхностям друг с другом и получить более компактную активную зону с меньшим диаметром. При плотной упаковке тонкие стенки кассет, кроме их внешнего ряда, находятся в условиях взаимно противоположного и компенсирующего друг друга внутреннего давления в соседних кассетах. Для обеспечения такой же разгрузки стенок кассет внешнего ряда, весь пакет размещается в кольцевом наборе, образованном из призм отражателя, который в свою очередь охвачен бандажным корсетом, выполняющим функцию силового корпуса реактора. В результате обеспечивается модульная компановка активной зоны, для которой отпадает необходимость в герметичном корпусе высокого давления со сложными и массивными торцевыми днищами, нижнее из которых огневое. Корпус заменяется гораздо более технологичным и менее нагруженным бандажным корсетом, который может быть образован, например, кольцами, не контактирующими с водородным рабочим телом и выполненными из легких сплавов, в частности титановых. Так как стенки кассет разгружаются от внутреннего давления, то их толщина определяется прочностью на осевое растяжение и практически может не превышать 1 мм. Выполнение каждой кассеты с глухим днищем упрощает изготовление кассет, т.к. в отличие от прототипа в днище не вводятся какие-либо трубки или патрубки с узлами сварки или пайки, снижающие его прочность. Шестигранные кассеты со сферическим днищем и цилиндрической головой частью наиболее удобны в изготовлении и при сборке пакета. Таким образом, предлагаемая силовая схема реакторного блока ЯРД позволяет упростить его изготовление, уменьшить габариты и вес.

Размещение ТВС в осевой трубе, проходящей по оси многогранной кассеты, а замедлителя в кольцевой полости, снаружи названной трубы, выполняющей функцию корпуса ТВС, обеспечивает надежное охлаждение замедлителя в каждой кассете и нагружение всех высокотемпературных и хрупких узлов ТВС твэлов, теплоизоляции, опорных узлов сжимающими усилиями от перепадов давления рабочего тела.

Соединение чехлов кассет в нижней горловой части друг с другом, например сваркой, позволяет технологически достаточно просто образовать верхнюю стенку коллектора огневого днища с узлами опорного закрепления, а аналогичное соединение друг с другом концевых частей корпусов ТВС, позволяет образовать нижнюю стенку коллектора огневого днища с узлами подвески сопел. Таким образом, в предлагаемом ЯРД огневое днище автоматически получается в результате сборки и соединения кассет друг с другом. При этом конструкция огневого днища имеет эффективную систему охлаждения, образованную тонкими стенками элементов кассет и придающими днищу каркасную жесткость. В случае выполнения выхлопного сопла в каждой кассете охлаждаемым, верхняя и нижняя стенки коллектора огневого днища соединяются друг с другом резьбовыми втулками, которые устанавливаются концентрично сопловым частям ТВС между сопрягаемыми парами "сборка-сопло" и образуют кольцевые дефлекторы в тракте охлаждения сопел. Тем самым обеспечивается эффективное охлаждение не только узлов подвески сопел, но и их законцовок, что предотвращает сопла и огневое днище от прогара.

В отличие от прототипа достигается высокая геометрическая стабильность узлов крепления кассет и сопел в охлаждаемом огневом днище, т.к. кассеты, ТВС и сопла имеют возможность свободного терморасширения в сторону, противоположную узлам их крепления и не вызывают их деформаций. Огневое днище, образующееся при сборке кассет, в целом работает только под внешним давлением водорода на срезе сопел. В результате соответственно снижаются нагрузки в местах стыков между соседними соплами.

ЯРД поясняется чертежами: на фиг.1 ЯРД в разрезе; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 место I фиг.1; на фиг.4 кассета в разрезе.

ЯРД образован пакетом шестигранных кассет 1, каждая из которых имеет наружный тонкостенный чехол 2 и центральный корпус 3, в котором размещена ТВС 4. Снаружи корпуса ТВС размещен кольцевой слой замедлителя 5. Кассеты снабжены выхлопными соплами 6, закрепленными на торцах горловых частей кассет, где чехлы 2 сварены друг с другом в местах 7. Концевые части корпусов ТВС сварены друг с другом в местах 8. В результате сварки образуется огневое днище с коллектором 9, на верхнюю стенку 10 которого (фиг.3) опираются конусные втулки 11, служащие опорой для ТВС. Подвеской для сопел служат стыковые узлы 12, связанные через металлические законцовки сопел с нижней стенкой 13 коллектора. Верхняя и нижняя стенки коллектора соединены друг с другом с помощью резьбовых втулок 14, которые навинчиваются на гоpловые части кассет и на концевые части корпусов ТВС, до стыковки сопловых блоков. При этом нижняя гладкая часть втулок служит дефлектором и образует кольцевые полости в тракте охлаждения каждого сопла.

Снаружи пакета кассет устанавливаются призмы 15, 16 бокового отражателя, охваченные бандажными кольцами 17. Как показано, на фиг.2, 4, кассета выполняется с тонкостенным чехлом 2 в форме правильного шестигранника, к верхнему торцу которого приварено сферическое днище 18, а к нижнему - цилиндрический патрубок 19. Активная часть ТВС образована нагревными секциями 20, набранными из стержневых твэлов, снабжена входной 21 и опорной 22 решетками и имеет наружный слой теплоизоляции 23. На входе ТВС устанавливается торцевой отражатель, который может быть элементом входной решетки, дроссельная шайба 24 и блок компенсационных пружин 25 для механического поджатия теплоизоляции со стороны холодного торца ТВС и обеспечения ее термоперемещений. Размещение регулировочных барабанов 26 в боковом отражателе (фиг.2).

Направление течения теплоносителя на чертежах обозначено стрелками.

ЯРД работает следующим образом.

Теплоноситель в направлении по стрелке 27 (фиг.1) поступает в верхний коллектор реактора, охлаждает призмы 16 бокового отражателя и регулировочные барабаны 26, поступает в коллектор 9 огневого днища, через отверстия в нижней стенке 13 коллектора поступает в кольцевую полость снаружи сопел 6, омывает дефлекторные части резьбовых втулок 4, поворачивает на 180 ^o, проходит через отверстия в опорных втулках 11, проходит снизу вверх вдоль корпуса ТВС по каналам кольцевого слоя замедлителя 5, поворачивает на 180 ^o, проходит через нагревные секции внутри ТВС, нагревается до высокой температуры, истекает через выхлопные сопла 6 и дорасширяется в юбке 28, создавая реактивную тягу.

Расход теплоносителя через ТВС задается дроссельными шайбами 24 (фиг.4), заранее оттарированными с учетом уровня тепловыделения в разных ТВС. Плотно прижатые друг к другу чехлы 2 кассет находятся под одинаковым внутренним давлением теплоносителя и работают на осевое растяжение. ТВС испытывает сжимающее усилие от перепада давления теплоносителя, протекающего сверху вниз через нагревные секции, которое воспринимается опорными решетками 22 и через конусные втулки 11 передается на внутреннюю стенку 10 коллектора 9. Слой теплоизоляции 23 предохраняет тонкий корпус 3 и замедлитель 5 от перегрева. Усилия от внутреннего давления в кассетах периферийного ряда воспринимаются призмами 15, 16 кольцевого отражателя и передаются на бандажные кольца. Таким образом, тонкие стенки чехлов кассет и призмы отражателя работают по радиусу активной зоны на сжатие. Поскольку внутреннее давление в кассетах не передается на огневое днище реактора, то на него снаружи действует только результирующее усилие при действии силы тяги, создаваемой соплами 6. Охлаждение металлических законцовок сопел предохраняет огневое днище от прожога со стороны реактивного выхлопа двигателя.

В качестве материала тонкостенных чехлов используются реакторные стали типа 12Х18Н10Т. Кольцевой охлаждаемый слой замедлителя 5 выполняется из гидрида циркония или иттрия. Призмы 15, 16 бокового отражателя из бериллия. Стержневые твэлы выполняются из двойного и тройного растворов карбида урана, циркония и ниобия. Теплоизоляция ТВС образована набором коаксиально вставленных друг в друга втулок, выполненных из высокотемпературных карбидографитовых и углеграфитовых материалов. Расширяющаяся часть сопел 6 выполняется из карбидных материалов (критика сопла) и тугоплавких материалов, например, молибдена (сверхзвуковая часть). Для реактора тепловой мощностью 260 МВт диаметр активной зоны составляет 650 мм, высота 800 мм. Температура водорода на выходе из ТВС может достигать 3100 К. При параметрах водорода в коллекторе 9 огневого днища давление 15 МПа, температура 400 К и на выхлопе из сопел давление 5 МПа, температура 3100 К, температура металлических корпусных законцовок не превышает 1000 К, а разность между максимальной и минимальной температурой в коллекторе огневого днища не превышает 90 К, при среднем ее значении 520 К. Поэтому металлоконструкция находится в условиях, близких к изотермическим, что обеспечивает снижение в ней термодеформаций и термонапряжений.

В сравнении с прототипом заявляемый ЯРД имеет следующие основные преимущества:
упрощается конструкция и технология изготовления кассет, в которых ТВС имеют собственный слой замедлителя, что обеспечивает более лучшие нейтронно-физические характеристики активной зоны;
использование бандажного корсета, работающего на растяжение в радиальном направлении, позволяет обеспечить сжимающие напряжения в боковом отражателе и разгрузить стенки чехлов от радиальных нагрузок;
образование тонкостенного огневого днища реактора при сборке пакета, позволяет снизить вес металлоконструкций, осуществлять эффективное охлаждение узлов крепления кассет, ТВС и сопел.

Отмеченные технические преимущества позволяют снизить вес и габариты основных блоков, обеспечить их более оптимальное силовое и термическое нагружение и в результате повысить эксплуатационную надежность и работоспособность ЯРД.

Сущность изобретения: ядерный ракетный двигатель содержит реактор, образованный пакетом вплотную установленных друг с другом, снабженных выхлопными соплами, кассет. Каждая из кассет выполнена в виде трубки Фильда с тонкостенным наружным чехлом в форме правильного многоранника и осевой трубой, образующей корпус тепловыделяющей сборки, снаружи которого размещен кольцевой слой замедлителя. При сборке реактора чехлы соседних кассет в горловой части герметично соединяются между собой и образуют верхнюю стенку коллектора огневого днища и узлы опорного закрепления сборок. Аналогичным образом соединяются друг с другом корпуса сборок со стороны сопел, в результате чего образуется нижняя стенка коллектора огневого днища и узлы подвески сопел. Пакет трубок Фильда по боковой поверхности размещается контактно с отражателем, выполненным в виде кольцевого набора призм, который в свою очередь охвачен бандажным корсетом, являющимся силовым корпусом реактора. Чехлы каждой кассеты имеют шестигранную форму и снабжены сферическим днищем, а соединение верхней и нижней стенок коллектора, при сборке пакета, может быть осуществлено с помощью резьбовых втулок, установленных концентрично сопловым частям сборок. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ядерный ракетный двигатель, содержащий реактор, образованный пакетом вплотную установленных одна к другой кассет, каждая из которых выполнена с корпусом в виде сосуда давления, в полости которого размещена тепловыделяющая сборка, снабженная выхлопным соплом, соединенным на входе последовательно с трактами охлаждения тепловыделяющей сборки и корпуса кассеты, отличающийся тем, что кассеты выполнены в виде трубок фильда с тонкостенным наружным чехлом, корпусом кассеты в форме правильного многогранника с глухим днищем и осевой трубой, образующей корпус тепловыделяющей сборки, в кольцевой полости снаружи которого размещен слой замедлителя, чехлы соседних кассет в горловой части трубок фильда герметично соединены между собой с образованием верхней стенки коллектора огневого днища и узлов опорного закрепления тепловыделяющих сборок, концевые части корпусов тепловыделяющих сборок соседних кассет со стороны сопл герметично соединены между собой с образованием нижней стенки коллектора огневого днища и узлов подвески сопл, а коллектор через кольцевые тракты охлаждения сопл соединен с кольцевыми полостями трубок фильда, пакет которых по боковой поверхности размещен контактно с отражателем, выполненным в виде кольцевого набора призм, охваченного бандажным корсетом силовым корпусом реактора. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что чехлы кассет выполнены в виде правильного шестигранника со сферическим днищем и цилиндрической горловой частью. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что верхняя и нижняя стенки коллектора огневого днища соединены друг с другом резьбовыми втулками, установленными концентрично сопловым частям тепловыделяющих сборок между сопряженными парами сборка сопло и образующими кольцевые дефлекторы в тракте охлаждения сопл.