КОСМИЧЕСКАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2011 года по МПК G21D1/00 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ), используемым в качестве источников электрической энергии космических аппаратов (КА).

Известен ряд конструкций, подобных ЯЭУ, в которых отвод в космос не преобразованного в электрическую энергию тепла происходит за счет излучения с холодильника-излучателя, например, в статье П.В.Андреев, А.В.Зродников, В.П.Сметанников и др. Опыт создания и основные направления развития и применения космической ядерной энергетики в России // Бюллетень по атомной энергии, сентябрь 2003.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является ЯЭУ КА, содержащая ядерный реактор, преобразователь энергии, радиационную защиту и конический холодильник-излучатель (ХИ), конструктивно соединяющий с реактором и размещенный по отношению к нему противоположной КА стороне. Теневая радиационная защита, располагаемая между реактором и КА, экранирует только полезную нагрузку КА. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ / А.А.Куландин, С.В.Тимашев, В.Д.Атамасов и др. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, 283 с.

Недостатком такой ЯЭУ является появление в ней мощного дополнительного источника рассеянного ионизирующего излучения. Оно обусловлено двумя причинами. Первая заключается в размещении ХИ непосредственно вблизи реактора, а вторая большой площадью видимости конической поверхности ХИ как с реактора, так и с полезной нагрузки КА.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение - обеспечение радиационной обстановки на КА за счет снижения доли рассеянного излучения в мощных ЯЭУ при ограниченных габаритах отсека полезной нагрузки ракеты-носителя.

Технический результат - компактное размещение в стартовом положении теплоизлучающих поверхностей ХИ, образующих после развертывания необходимую для функционирования ЯЭУ площадь ХИ при минимальном отрицательном воздействии на радиационно-чувствительную аппаратуру КА радиационного излучения. Этот результат достигается тем, что силовая рама соединена с отсеком полезной нагрузки посредством трех равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней, каждый из них образован двумя балками, связанными через снабженный приводом, например, электроприводом шарнир, которые позволяют в стартовом положении расположить балки вокруг ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав балки, отодвинуть ядерно-энергетический блок от отсека полезной нагрузки. Холодильник-излучатель размещен относительно ядерно-энергетического блока с противоположной отсеку полезной нагрузки стороны на цилиндрической обечайке и выполнен из двух отдельных комплектов плоских панелей, которые соединены между собой по торцам шарнирно-сильфонными узлами с шарнирами, снабженных шкивами с проходящим по ним тросом, соединяющим крайнюю панель с барабанном и приводом, например, электроприводом, которые размещены на цилиндрической обечайке и обеспечивают возможность в стартовом положении сложить панели параллельно друг другу симметрично продольной оси ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав, сформировать две излучающие с двух сторон плоскости холодильника-излучателя. Цилиндрическая обечайка с размещенными на ней панелями холодильника-излучателя соединена с реактором посредством телескопически установленных в нее обечаек, снабженных приводом, например, тросовой системой, которые обеспечивают удаление ХИ от реактора на расстояние, определяемое следующей зависимостью

Qn - эквивалентный реактору по утечке точечный источник нейтронов

R - полуширина ХИ

H - длина ХИ

- сечение рассеяния нейтронов

t - расстояние от центра активной зоны реактора до ХИ

z - расстояние от центра активной зоны реактора до ПО

При этом цилиндрическая обечайка с размещенными на ней панелями ХИ дополнительно соединена с ядерно-энергетическим блоком посредством двух равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней, каждый из которых образован соединенными через шарнир двумя балками, обеспечивающими в стартовом положении расположить их вокруг цилиндрической обечайки, а в орбитальном, разложив и зафиксировав их шарнирах по размещенным на балках трубопроводам, и ШСУ подать теплоноситель к удаленному от реактора ХИ.

На фигуре 1 приведена конструктивная схема ЯЭУ в стартовом положении, где:

1 - ЯЭБ, 2 - реактор, 3 - радиационная защита, 4 - преобразователь энергии, 5 - панель ХИ, 6 - отсек полезной нагрузки, 7 - балка, 8 - электропривод, 9 - обечайка внешняя, 10 - обечайка внутренняя, 11 - тросовая система, 12 - электропривод, 13 - барабан, 14 - трос, 15 - шкив, 16 - труба, 17 - ШСУ, 18 - балка.

На фигуре 2 - приведена конструктивная схема ЯЭУ в орбитальном положении, где:

1 - ЯЭБ, 5 - панель ХИ, 6 - отсек полезной нагрузки, 7 - балка, 9 - обечайка внешняя, 10 - обечайка внутренняя, 18 - балка

В ЯЭУ высокой мощности площадь ХИ достигает величин (более 500 м²), не позволяющих использовать традиционные схемы построения КА с ЯЭУ, когда ХИ размещен между реактором и КА в теневой зоне радиационной защиты. Заявляемая ЯЭУ, имеющая два положения: стартовое (фиг.1) и орбитальное (фиг.2), использует плоский ХИ, дающий возможность за счет двустороннего излучения существенно снизить его геометрическую поверхность. Неизбежный при этом выход за теневой конус защиты панелей ХИ и появление источников рассеивающего излучения компенсировано соответствующим удалением ХИ от полезной нагрузки. Оно достигнуто размещением ХИ относительно реактора симметрично отсеку полезной нагрузки. В результате излучение от реактора первоначально ослабляется расстоянием реактор - ХИ, а затем, рассеявшись на нем, часть излучения, направленная в сторону реактора, расстоянием ХИ - отсек полезной нагрузки. При этом видимость с реактора только торца ХИ обеспечивает ослабление радиационного излучения по мере проникновения его в ХИ и аналогично ослабление после его рассеивания в сторону КА. Одновременно установленная между КА и реактором теневая радиационная защита формирует теневую зону, в которой размещен преобразователь энергии ЯЭУ, и тем самым обеспечивает совместно с расстоянием между реактором и отсеком полезной нагрузки, требуемые на нем потоки ионизирующего излучения.

В соответствии с принятой схемой ЯЭУ представляет собой (фиг.1) ядерный энергетический блок (ЯЭБ) 1 с входящим в него реактором (2), радиационной защитой (3), преобразователем энергии (4), ХИ, состоящего из двух развертывающих симметрично панелей (5), и отсеком полезной нагрузки (6) КА. Имеет две системы отодвигания: ЯЭБ (1) от отсека полезной нагрузки (6) и ХИ (5) от ЯЭБ (1). При этом ХИ снабжен системой развертывания излучающих панелей, позволяющей их развернуть из стартового, сложенного положения в орбитальное.

Система отодвигания реактора с преобразователем от полезной нагрузки содержит трехстержневую конструкцию из двух шарнирно соединенных балок (7), приводимую в действие электроприводом (8).

Система отодвигания ХИ от реактора включает телескопическую конструкцию из обечаек. На внешней обечайке (9) закреплены сложенные в стартовом положении панели ХИ (5), а внутренняя (10) соединена с реактором (3). Раздвижение телескопической конструкции может быть выполнено, например, тросовой системой (11).

Система развертывания излучающих панелей ХИ содержит электроприводы (12) с барабанами (13), прикрепленные к внешней обечайке телескопической конструкции, а также тросы (14), шкивы (15), размещенные на боковых поверхностях панелей ХИ (5).

Передача теплоносителя от преобразователя энергии (4) на разворачивающиеся панели ХИ выполнено по трубам (16) и ШСУ (17), установленным на шарнирно соединенных балках (18), один конец которых закреплен на агрегатном отсеке с преобразователем энергии (4), а другой на внешней обечайке (9) телескопической конструкции отодвигания ХИ. Сами панели ХИ (5) соединены между собой также ШСУ (17).

Данная конструкция функционирует следующим образом.

Перевод ЯЭУ из стартового положения (фиг.1) в орбитальное (фиг.2) осуществляется последовательным отодвиганием ЯЭБ от отсека полезной нагрузки, развертыванием панелей ХИ и отодвиганием ХИ от ЯЭБ.

Отодвигание ЯЭБ от отсека полезной нагрузки выполняется за счет разворота сложенных балок (7), приводимого в действие электроприводами (8), установленными в шарнирах между балками.

Развертывание панелей ХИ осуществляется натяжением наматываемого на барабан (13) электроприводом (12) троса (14), который проходит по шкивам (15) и закреплен на концевой панели ХИ. Разворот панелей ХИ с каждой стороны внешней телескопической секции может происходить параллельно или последовательно.

Отодвигание ХИ выполняется телескопической конструкцией, на внешней обечайке (9) которой предварительно развернуты панели ХИ (5). Одновременно с раздвижением телескопической конструкции с помощью тросовой системы (11) происходит развертывание шарнирно соединенных балок (18) с размещенными на них трубопроводами (16), подающими теплоноситель в ХИ. Герметичность трубопроводов с теплоносителем при развертывании панелей ХИ и балок обеспечивается ШСУ(17).

Изобретение относится к источникам электроснабжения космического аппарата. В ядерной энергетической установке (ЯЭУ) силовая рама соединена с отсеком полезной нагрузки посредством трех равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней, каждый из которых образован двумя балками, связанными через снабженный приводом шарнир. Стержни позволяют в стартовом положении расположить балки вокруг ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав балки, отодвинуть ядерно-энергетический блок от отсека полезной нагрузки. Холодильник-излучатель (ХИ) размещен относительно ядерно-энергетического блока с противоположной отсеку полезной нагрузки стороны на цилиндрической обечайке и выполнен из двух отдельных комплектов плоских панелей. Соединение узлов позволяет в стартовом положении сложить панели параллельно друг другу симметрично продольной оси ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав, сформировать, две излучающие с двух сторон плоскости холодильника-излучателя. Цилиндрическая обечайка с размещенными на ней панелями холодильника-излучателя соединена с реактором посредством телескопически установленных в нее обечаек и двух равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней. Технический результат - компактное размещение в стартовом положении ЯЭУ с ХИ, площадью порядка 500 м² и отсека полезной нагрузки космического аппарата. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) космического аппарата, содержащая ядерно-энергетический блок, включающий ядерный реактор, преобразователь энергии, радиационную защиту, агрегаты системы теплоотвода, силовую раму, а также холодильник-излучатель и отсек полезной нагрузки, отличающаяся тем, что силовая рама соединена с отсеком полезной нагрузки посредством трех равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней, каждый из них образован двумя балками, связанными через снабженный приводом, например электроприводом, шарнир, которые позволяют в стартовом положении расположить балки вокруг ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав балки, отодвинуть ядерно-энергетический блок от отсека полезной нагрузки.

2. Космическая ядерная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что холодильник-излучатель размещен относительно ядерно-энергетического блока с противоположной отсеку полезной нагрузки стороны на цилиндрической обечайке и выполнен из двух отдельных комплектов плоских панелей, которые соединены между собой по торцам шарнирно-сильфонными узлами с шарнирами, снабженных шкивами с проходящим по ним тросом, соединяющим крайнюю панель с барабанном и приводом, например электроприводом, которые размещены на цилиндрической обечайке и обеспечивают возможность в стартовом положении сложить панели параллельно друг другу симметрично продольной оси ЯЭУ, а в орбитальном, разложив и зафиксировав, сформировать, две излучающие с двух сторон плоскости холодильника-излучателя.

3. Космическая ядерная энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что цилиндрическая обечайка с размещенными на ней панелями холодильника-излучателя соединена с реактором посредством телескопически установленных в нее обечаек, снабженных приводом, например тросовой системой, которые обеспечивают удаление холодильника-излучателя от реактора на расстояние, определяемое следующей зависимостью:

Qn - эквивалентный реактору по утечке точечный источник нейтронов,
R - полуширина холодильника-излучателя,
Н - длина холодильника-излучателя,
Σs - сечение рассеяния нейтронов,
t - расстояние от центра активной зоны реактора до холодильника-излучателя,
z - расстояние от центра активной зоны реактора до отсека полезной нагрузки.

4. Космическая ядерная энергетическая установка по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрическая обечайка с размещенными на ней панелями холодильника-излучателя дополнительно соединена с ядерно-энергетическим блоком посредством двух равнорасположенных относительно оси ЯЭУ стержней, каждый из которых образован соединенными через шарнир двумя балками, которые позволяют в стартовом положении расположить их вокруг цилиндрической обечайки, а в орбитальном, разложив и зафиксировав их в шарнирах, обеспечить по размещенным на балках трубопроводам и шарнирно-сильфонным узлам подачу теплоносителя к удаленному от реактора холодильнику-излучателю.