ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НАУЧНОГО И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G21D5/00 B64G1/00 

Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике и может быть использовано при создании энергетических, двигательных и энергодвигательных установок для решения задач, связанных с доставкой космических аппаратов на орбиту функционирования и последующим длительным энергообеспечением аппаратуры космических аппаратов.

Известны наземные ядерные энергоустановки с системами машинного преобразования тепловой энергии в электрическую (патент Российской Федерации на изобретение №2447524 от 10.10.2008 г. и №2122248 от 29.08.1995 г.), что не позволяет их использовать для целей ракетно-космической техники (РКТ).

Известна ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) космического аппарата (патент Российской Федерации на изобретение №2248312, опубликованный 20.03.2005), которая содержит ядерный реактор, радиационную защиту, холодильник-излучатель и систему развертывания. Система развертывания содержит раму, включающую в себя три стержня, которые расположены между ЯЭУ и промежуточным шпангоутом, а также смещенные относительно указанных стержней на угол 60° три стержня, расположенные между этим шпангоутом и КА. Шпангоут выполнен в форме трехгранной призмы. Каждый стержень состоит из двух балок, а в местах соединения балок между собой, с ЯЭУ, с промежуточным шпангоутом и с КА установлены шарниры. Шарниры позволяют балкам совершать угловое перемещение в продольных плоскостях ЯЭУ при ее переводе из стартового положения в орбитальное. Электрокоммуникации ЯЭУ размещена на указанных балках. Изобретение позволяет снизить массу и стартовый габарит ЯЭУ путем компактного расположения элементов системы развертывания вокруг ЯЭУ. Недостатком данного изобретения является наличие достаточно сложной системы развертывания ЯЭУ из стартового положения в орбитальное, включающей в свой состав значительное число конструктивных элементов (балки, стержни, шарниры и пр.). Выход из строя или нештатная работа любого из этих элементов может привести к невозможности перевода в орбитальное положение и, соответственно, к невыполнению ЯЭУ своей целевой функции. Кроме того, учитывая значительные массу и габариты разворачиваемых изделий, затруднена экспериментальная отработка такой системы в наземных условиях.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является техническое решение, раскрытое в патенте Российской Федерации на изобретение №2533672, опубликованном 20.11.2014. Известная ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) космического аппарата содержит газоохлаждаемый ядерный реактор, двухкамерный холодильник, рекуператор, систему трубопроводов с газообразным рабочим телом (ГРТ), соосные турбину, компрессор и генератор, холодильник-излучатель, электроракетные двигатели, систему автоматического управления. Газовый тракт двухкамерного холодильника имеет входы и выходы для присоединения к замкнутому контуру циркуляции ГРТ, а жидкостный тракт имеет входы и выходы для присоединения холодильника-излучателя. Недостатком аналога является наличие промежуточного элемента в виде двухкамерного холодильника между замкнутым контуром циркуляции ГРТ, в котором происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, и холодильником-излучателем, который отводит в окружающие пространство низкопотенциальное тепло, неиспользованное при преобразовании энергии. Наличие промежуточного двухкамерного холодильника приводит к снижению эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую и к увеличению массы ядерной энергодвигательной установки.

Задачей предлагаемого изобретения является создание более простой и надежной конструкции ЯЭДУ.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является уменьшение массово-габаритных характеристик без потери эффективности ЯЭДУ.

Для решения задачи и достижения технического результата предлагается ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата научного и социально-экономического назначения, содержащая электроракетную двигательную установку, реакторную установку для нагрева газообразного рабочего тела (ГРТ), систему преобразования тепловой энергии в электрическую с замкнутым контуром циркуляции ГРТ, имеющим коллекторы для присоединения холодильника-излучателя, и холодильник-излучатель. При этом холодильник-излучатель представляет собой набор петлевых излучателей, каждый из которых образован трубкой с, по меньшей мере, одним продольным ребром. Причем излучатели соединены в полую пространственную структуру, расположенную на внешней поверхности космического аппарата. Трубка каждого излучателя обращена внутрь полой структуры, а ее концы соединены с входным и выходным коллекторами замкнутого контура циркуляции рабочего тела, а ребра образуют излучающую поверхность. При этом между соседними излучателями, а также между входной и выходной частями излучателей и внешней поверхностью космического аппарата расположена теплоизоляция. Система преобразования тепловой энергии (СПТЭ) герметично соединена со стороны входа в компрессор с входным газовым коллектором, а со стороны выхода из горячего тракта рекуператора - с выходным газовым коллектором, при этом входной и выходной газовые коллекторы герметично соединены петлеобразными трубками излучателей таким образом, что проточные тракты турбины, компрессора, рекуператора и трубопроводов СПТЭ, проточный тракт реакторной установки (РУ) для нагрева ГРТ, образуют единый замкнутый контур циркуляции ГРТ

Концы трубки каждого излучателя могут быть снабжены запорными клапанами и связаны с входным и выходным коллекторами контура циркуляции рабочего тела через патрубки.

Каждое продольное ребро может иметь одно сквозное отверстие, через которое проходит трубка излучателя, при этом между отверстием в продольном ребре и трубкой излучателя выполнен зазор, который заполнен материалом типа пасты с высокой теплопроводностью.

Продольные ребра могут быть выполнены из материала с высокой теплопроводностью и степенью черноты, в том числе углеродных материалов.

На излучающую поверхность холодильника-излучателя может быть нанесено покрытие, имеющее высокую степень черноты и низкий коэффициент поглощения солнечного излучения.

Теплоизоляция может быть выполнена в виде экранно-вакуумной изоляции.

Изобретение представлено 3 фигурами.

На фиг. 1 представлена конструкция ЯЭДУ,

на фиг. 2 - функциональная схема ЯЭДУ,

на фиг. 3 - конструкция излучателя.

Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата научного и социально-экономического назначения содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) 1, реакторную установку 2 для нагрева ГРТ, систему преобразования тепловой энергии в электрическую 3 с замкнутым контуром циркуляции ГРТ, имеющим коллекторы 4 и 5 для присоединения холодильника-излучателя, и холодильник-излучатель (ХИ) 6.

Система преобразования тепловой энергии в электрическую 3 с замкнутым контуром циркуляции ГРТ содержит расположенные соосно на одном валу турбину 7, обеспечивающую преобразование энергии нагретого в реакторной установке 2 ГРТ в механическую энергию вращающегося ротора, компрессор 8, обеспечивающий циркуляцию ГРТ с требуемым перепадом давления, и электрогенератор 9, преобразующий избыточную механическую мощность на валу (разность между мощностями турбины и компрессора) в электрическую мощность для работы ЭРДУ 1. Рекуператор 10 обеспечивает повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет рекуперации тепла, осуществляемой путем передачи в его трактах тепла от ГРТ после турбины 7 к ГРТ после компрессора 8. Система трубопроводов соединяет соответствующие входы и выходы реакторной установки 2, турбины 7, компрессора 8 и рекуператора 10, формируя замкнутый контур циркуляции ГРТ. Замкнутый контур циркуляции ГРТ со стороны входа в компрессор 8 имеет входной коллектор 4, а со стороны выхода горячего тракта рекуператора 10 - выходной коллектор 5, к которым присоединен ХИ 6. ХИ 6 представляет собой набор петлевых излучателей 11, каждый из которых образован трубкой 12 с продольными ребрами 13. Излучатели 11 объединены в жестко закрепленную на внешней поверхности космического аппарата пространственно-периодическую структуру, образующую полость внутри. Трубки 12 каждого излучателя 11 обращены внутрь полости, а выходной 14 и входной 15 патрубки трубок 12 герметично присоединены, соответственно, к входному 4 и выходному 5 коллекторам. Продольные ребра 13 образуют обращенную наружу излучающую поверхность, через которую в окружающее пространство сбрасывается низкопотенциальное тепло, отводимое от ГРТ при его течении внутри трубок 12. Между соседними излучателями, а также между входной и выходной частью излучателей и внешней поверхностью космического аппарата расположена теплоизоляция 16. На входе и на выходе трубки 12 каждого излучателя 11 (или группы из нескольких излучателей) установлены запорные клапаны 17 для отсечки, при необходимости, каждого излучателя 11 (или группы из нескольких излучателей) от контура циркуляции ГРТ.

Работа ядерной энергодвигательной установки для космического аппарата научного и социально-экономического назначения происходит следующим образом. После вывода КА на рабочую орбиту и проведения необходимых проверок ЯЭДУ готова к функционированию без дополнительных операций по ее разворачиванию из стартового положения в орбитальное.

В системе преобразования тепловой энергии в электрическую 3 ЯЭДУ реализован газотурбинный термодинамический цикл (цикл Брайтона), который состоит из двух изобар, соответствующих процессам нагрева ГРТ в горячем тракте рекуператора 10 и в реакторной установке 2, и охлаждения ГТР в холодном тракте рекуператора 10 и в холодильнике-излучателе 6, и двух адиабат, соответствующих процессам расширения ГТР в турбине 7 и сжатия ГРТ в компрессоре 8.

Нагрев ГРТ до максимальной температуры осуществляется в реакторной установке 2 за счет тепла, выделяемого в процессе реакции деления ядерного топлива. После нагрева в реакторной установке 2 ГРТ направляется в турбину 7, в которой происходит процесс расширения с преобразованием энергии нагретого ГРТ в механическую энергию вращающегося вала, на котором соосно с турбиной 7 расположены компрессор 8 и электрогенератор 9. После расширения в турбине ГРТ направляется в горячий тракт рекуператора 10, где частично охлаждается за счет передачи тепла к ГТР, текущему в холодном тракте рекуператора, а затем ГРТ направляется в выходной коллектор 5. Из выходного коллектора 5 расход ГРТ равномерно распределяется по трубкам 12 излучателей 11, которые через входные патрубки герметично соединены к выходному коллектору 5. При течении внутри трубок 12 происходит конвективный отвод тепла от ГТР к стенке трубки 12. Тепло, отведенное от ГТР к стенкам трубок 12, далее распространяется путем теплопроводности в продольных ребрах 13, после чего с обращенной наружу поверхности излучателей сбрасывается в окружающее пространство тепловым излучением. Теплоизоляция 16 минимизирует потоки тепла между смежными излучателями, имеющими различную температуру, а также потоки тепла от излучателей к внешней поверхности космического аппарата, на которой расположены излучатели. При течении внутри трубок 12 от выходного коллектора 5 к входному коллектору 4 ГТР охлаждается до минимальной температуры, после чего из входного коллектора 4 направляется на вход компрессора 8, в котором происходит процесс сжатия ГТР до требуемого давления. После компрессора ГРТ направляется в холодный тракт рекуператора, где подогревается за счет передачи тепла от ГТР, текущего в горячем тракте рекуператора. Из холодного тракта рекуператора ГТР направляется в реакторную установку 2 для нагрева до максимальной температуры перед подачей в турбину 7, чем обеспечивается замыкание газотурбинного термодинамического цикла преобразования энергии.

Разность между мощностью, вырабатываемой турбиной 7 в процессе расширения ГТР, и мощностью, потребляемой компрессором в процессе сжатия ГТР, преобразуется в электрическую мощность генератором 9. Вырабатываемая генератором 9 электрическая мощность используется для работы ЭРДУ.

Регулирование выходной электрической мощности ЯЭДУ осуществляется по командам системы автоматического управления КА путем изменения температуры ГТР перед турбиной 7 при изменении мощности реакторной установки 2. Дополнительное регулирование выходной электрической мощности ЯЭДУ может быть осуществлено путем изменения площади излучающей поверхности ХИ 6, используемой для сброса в окружающее пространство отводимого от ГТР тепла, для чего могут быть перекрыты запорные клапаны 17, установленные на входе и на выходе трубки 12 каждого излучателя 11 (или группы из нескольких излучателей). Запорные клапаны 17 также могут быть использованы для отсечки излучателя 11 (или группы излучателей) от контура циркуляции ГРТ в случае разгерметизации какой-либо трубки 12 излучателя, например, при пробое ее микрометеоритом.

В настоящее время по данному изобретению разработана математическая модель системы преобразования энергии и холодильника-излучателя, проводятся разработки и испытания отдельных агрегатов, определены рациональные мощности и области применения. Применение предлагаемой ЯЭДУ в составе КА, выводимого по однопусковой схеме на низкую опорную орбиту с помощью существующих ракет-носителей, позволит иметь располагаемую электрическую мощность от 100 до 200 кВт для решения задач довыведения тяжелых КА на высокие рабочие орбиты и энергоснабжения мощной полезной нагрузки.

Изобретение относится к ядерной энергодвигательной установке для космического аппарата. Установка содержит электроракетную двигательную установку, реакторную установку для нагрева газообразного рабочего тела, систему преобразования тепловой энергии нагретого газообразного рабочего тела в электрическую энергию, содержащую соосные турбину-компрессор-электрогенератор, рекуператор и трубопроводы, и холодильник-излучатель. Холодильник-излучатель жестко закреплен на внешней поверхности космического аппарата и представляет собой набор излучателей, каждый из которых образован петлеобразной трубкой с установленным на ней, по крайней мере, одним продольным ребром. Причем излучатели объединены в пространственную структуру и образуют внутреннюю полость таким образом, что петлеобразная трубка каждого излучателя обращена внутрь этой полости, а продольные ребра образуют излучающую поверхность, обращенную наружу. Пространство между ребрами смежных излучателей, а также пространство между петлеобразными трубками, пространство между внутренней поверхностью ребер и внешней поверхностью космического аппарата заполнено теплоизоляцией. Техническим результатом является уменьшение массово-габаритных характеристик без потери эффективности энергодвигательной установки. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата, содержащая электроракетную двигательную установку, реакторную установку (РУ) для нагрева газообразного рабочего тела (ГРТ), систему преобразования тепловой энергии (СПТЭ) нагретого ГРТ в электрическую энергию, содержащую соосные турбину-компрессор-электрогенератор (ТКГ), рекуператор и трубопроводы, и холодильник-излучатель, отличающаяся тем, что холодильник-излучатель жестко закреплен на внешней поверхности космического аппарата и представляет собой набор излучателей, каждый из которых образован петлеобразной трубкой с установленным на ней, по крайней мере, одним продольным ребром, причем излучатели объединены в пространственную структуру и образуют внутреннюю полость таким образом, что петлеобразная трубка каждого излучателя обращена внутрь этой полости, а продольные ребра образуют излучающую поверхность, обращенную наружу, при этом пространство между ребрами смежных излучателей, а также пространство между петлеобразными трубками, пространство между внутренней поверхностью ребер и внешней поверхностью космического аппарата заполнено теплоизоляцией, причем СПТЭ герметично соединена со стороны входа в компрессор с входным газовым коллектором, а со стороны выхода из горячего тракта рекуператора - с выходным газовым коллектором, при этом входной и выходной газовые коллекторы герметично соединены петлеобразными трубками излучателей таким образом, что проточные тракты турбины, компрессора, рекуператора и трубопроводов СПТЭ, проточный тракт РУ для нагрева ГРТ, образуют единый замкнутый контур циркуляции ГРТ.

2. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что вход и выход трубки каждого излучателя снабжен запорным клапаном и связан с входным и выходным коллектором контура циркуляции рабочего тела через патрубки.

3. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что продольные ребра выполнены из материала с высокой теплопроводностью и степенью черноты, в том числе углеродных материалов.

4. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата по п. 1, отличающаяся тем, каждое продольное ребро имеет, по крайней мере, одно сквозное отверстие, через которое проходит трубка излучателя, при этом между отверстием в продольном ребре и трубкой излучателя выполнен зазор, заполненный материалом типа пасты с высокой теплопроводностью.

5. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что на излучающую поверхность холодильника-излучателя нанесено покрытие, имеющее высокую степень черноты и низкий коэффициент поглощения солнечного излучения.

6. Ядерная энергодвигательная установка для космического аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что теплоизоляция выполнена в виде экранно-вакуумной изоляции.