RU2676675C1

RU2676675C1 - Nuclear power propulsion unit

Info

Publication number: RU2676675C1
Application number: RU2018100488A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Новиков; Владимир Иванович Ермолаев
Original assignee: Акционерное общество "Конструкторское бюро "Арсенал" имени М.В. Фрунзе"
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-01-10

Abstract

FIELD: engines and pumps; nuclear technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of nuclear power plants and electric propulsion systems with electromagnetic plasma acceleration and can mainly be used in spacecraft propulsion systems. Nuclear power propulsion unit comprises a nuclear reactor, a turbine, a heat exchanger-heat exchanger, a heat exchanger-cooler and a compressor connected by a gas circuit, an electric generator mounted on the same shaft with the turbine and compressor, electric propulsion engine containing coaxially mounted at the end of a gentle cathode and nozzle-anode, a solenoid placed outside the nozzle-anode, a cooler-emitter connected by a liquid circuit with a heat exchanger-cooler and an electric generator, and a storage and supply system for the working fluid. Electric rocket motor shaft is connected to the turbine shaft via an insulating spacer, the electric generator is connected to the solenoids through the current leads, the storage system and the working fluid supply is connected through a vaporizer to the gas circuit at the compressor inlet, and the gas circuit at the entrance to the heat exchanger-cooler is connected through the manifold to the internal channel of the shaft of the electric propulsion engine.

EFFECT: ensuring the reduction of the mass and dimensions of the nuclear power plant.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) и электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) с электромагнитным ускорением плазмы и преимущественно может быть использовано в двигательных установках космических аппаратов.The present invention relates to the field of nuclear energy propulsion systems (NEDU) and electric propulsion systems (ERD) with electromagnetic plasma acceleration and can mainly be used in propulsion systems of spacecraft.

Одной из важнейших задач в области создания перспективных ЯЭДУ и ЭРДУ является разработка транспортно-энергетических модулей, характеризующихся высокой мощностью, что вызвано увеличением массы космических аппаратов и ростом энергопотребления их целевых систем, а также необходимостью решения транспортных задач для освоения ближнего и дальнего космического пространства.One of the most important tasks in the field of creating promising nuclear power and propulsion systems is the development of transport and energy modules characterized by high power, which is caused by the increase in the mass of spacecraft and the increase in energy consumption of their target systems, as well as the need to solve transport problems for the development of near and far outer space.

Известна энергодвигательная установка (ЭДУ), содержащая солнечную батарею, аккумуляторную батарею систему преобразования электрической энергии, электроракетные двигатели и систему хранения и подачи рабочего тела (Власенков Е.В. и др. Проектный облик перспективного малого космического аппарата с маршевой электроракетной двигательной установкой. - Электронный журнал "Труды МАИ", 2012, выпуск №68).Known energy propulsion system (EDU), containing a solar battery, a battery, a system for converting electrical energy, electric propulsion engines and a storage system and supply of a working fluid (Vlasenkov E.V. et al. Design appearance of a promising small spacecraft with a propulsion propulsion system. - Electronic the journal "Transactions of MAI", 2012, issue No. 68).

Недостатками указанной ЭДУ являются ее существенные масса и габариты, необходимые для обеспечения высоких значений мощности, поскольку массогабаритные характеристики солнечных батарей пропорциональны генерируемой электрической мощности. Кроме того, генерируемая мощность такой ЭДУ существенным образом зависит от условий освещенности.The disadvantages of this EDU are its significant mass and dimensions, necessary to ensure high power values, since the mass-dimensional characteristics of solar cells are proportional to the generated electric power. In addition, the generated power of such an EDU substantially depends on the lighting conditions.

Также известна энергодвигательная установка (RU 2591972 С1, 2016), которая содержит энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела, электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные на торце полого вала катод и сопло-анод, соленоид, размещенный снаружи сопла-анода, электродвигатель-электрогенератор и маховик, закрепленные на одном валу с электроракетным двигателем.Also known is a power-driven installation (RU 2591972 C1, 2016), which contains a power installation, a storage system and a supply of a working fluid, an electric rocket engine, which includes a cathode and anode nozzle coaxially mounted on the end of the hollow shaft, a solenoid located outside the anode nozzle , an electric motor-electric generator and a flywheel, mounted on the same shaft with an electric rocket engine.

К недостаткам указанной ЭДУ можно отнести существенную массу маховичного накопителя, необходимого для выполнения энергоемких маневров, а также необходимость обеспечения длительных пауз между включениями электроракетного двигателя для обеспечения заряда маховичного накопителя.The disadvantages of this EDU include the substantial mass of the flywheel drive needed to perform energy-consuming maneuvers, as well as the need to provide long pauses between the starts of the electric rocket engine to ensure the charge of the flywheel drive.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является ядерная энергодвигательная установка (Андрианов Д.И. и др. Мощные энергодвигательные установки космического назначения с газотурбинным преобразованием энергии по замкнутому циклу Брайтона и особенности их экспериментальной отработки. - Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, №7, с. 1-16), которая содержит ядерный реактор, турбину, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник и компрессор, связанные газовым контуром, электрогенератор, установленный на одном валу с турбиной и компрессором, электроракетный двигатель, связанный через систему преобразования электрической энергии с электрогенератором, холодильник-излучатель, связанный жидкостным контуром с теплообменником-холодильником, системой преобразования электрической энергии и электрогенератором, и систему хранения и подачи рабочего тела электроракетного двигателя.Closest to the technical nature of the claimed invention is a nuclear power plant (Andrianov D.I. et al. Powerful space propulsion systems with gas turbine energy conversion in a closed Brighton cycle and the features of their experimental development. - Engineering Journal: Science and Innovation, 2016, No. 7, pp. 1-16), which contains a nuclear reactor, a turbine, a heat exchanger-recuperator, a heat exchanger-cooler and a compressor connected by a gas circuit, an electric generator mounted on the bottom of the shaft with a turbine and compressor, an electric rocket engine connected through an electric energy conversion system to an electric generator, a radiator connected by a liquid circuit to a heat exchanger-refrigerator, an electric energy conversion system and an electric generator, and a storage and supply system for the working body of an electric rocket engine.

Недостатками ЯЭДУ, являющейся ближайшим аналогом, являются ее существенные масса и габариты, что обусловлено значительной массой и габаритами электрогенератора с тоководами, связывающими его с электроракетным двигателем, и системы преобразования электрической энергии, обеспечивающей согласование параметров электрогенератора и электроракетного двигателя, а также значительными массой и габаритами холодильника-излучателя, вызванными необходимостью отвода существенных тепловых потоков от газового контура, электрогенератора и системы преобразования электрической энергии.The disadvantages of NEDU, which is the closest analogue, are its significant mass and dimensions, which is due to the significant mass and dimensions of the electric generator with current leads connecting it to the electric rocket engine, and the electric energy conversion system that ensures the matching of the parameters of the electric generator and the electric rocket engine, as well as significant mass and dimensions refrigerator-emitter caused by the need to divert significant heat fluxes from the gas circuit, electric generator and system s electrical power conversion.

Задачей настоящего изобретения явилось создание ЯЭДУ, которая обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении массы и габаритов ЯЭДУ.The objective of the present invention was the creation of NED, which ensures the achievement of a technical result, which consists in reducing the mass and dimensions of NED.

Поставленная задача решена и сформулированный технический результат достигнут тем, что ядерная энергодвигательная установка, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, ядерный реактор, турбину, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник и компрессор, связанные газовым контуром, электрогенератор, установленный на одном валу с турбиной и компрессором, электроракетный двигатель, содержащий соосно установленные на торце полого вала катод и сопло-анод, соленоид, размещенный снаружи сопла-анода, холодильник-излучатель, связанный жидкостным контуром с теплообменником-холодильником и электрогенератором и систему хранения и подачи рабочего тела, отличается от ближайшего аналога тем, что вал электроракетного двигателя соединен через изолирующую проставку с валом турбины, электрогенератор связан через тоководы с соленоидом, система хранения и подачи рабочего тела связана через испаритель с газовым контуром у входа в компрессор, а газовый контур у входа в теплообменник-холодильник связан через коллектор с внутренним каналом вала электроракетного двигателя.The problem has been solved and the technical result formulated has been achieved in that a nuclear power plant comprising, in accordance with the closest analogue, a nuclear reactor, a turbine, a heat exchanger-recuperator, a heat exchanger-cooler and a compressor connected by a gas circuit, an electric generator mounted on one shaft with a turbine and a compressor, an electric rocket engine containing a cathode and anode nozzle coaxially mounted on the end of the hollow shaft, a solenoid located outside the anode nozzle, a radiator, connected connected with a liquid circuit with a heat exchanger-cooler and an electric generator and the storage system and supply of the working fluid differs from the closest analogue in that the shaft of the electric rocket engine is connected through an insulating spacer to the turbine shaft, the electric generator is connected through current leads to a solenoid, the storage and supply system of the working fluid is connected through an evaporator with a gas circuit at the inlet to the compressor, and a gas circuit at the entrance to the heat exchanger-cooler is connected through a collector to the internal channel of the shaft of the electric rocket engine .

Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - ядерный реактор, 2 - турбина, 3 - теплообменник-рекуператор, 4 - теплообменник-холодильник, 5 - компрессор, 6 - газовый контур, 7 - электрогенератор, 8 - жидкостный контур, 9 - холодильник-излучатель, 10 - катод, 11 - сопло-анод, 12 - полый вал, 13 - соленоид, 14 - изолирующая проставка, 15 - тоководы, 16 - система хранения и подачи рабочего тела, 17 - испаритель и 18 - регулятор расхода.The invention is illustrated by the drawing, where 1 is a nuclear reactor, 2 is a turbine, 3 is a heat exchanger-recuperator, 4 is a heat exchanger-cooler, 5 is a compressor, 6 is a gas circuit, 7 is an electric generator, 8 is a liquid circuit, 9 is a refrigerator radiator 10 - cathode, 11 - nozzle-anode, 12 - hollow shaft, 13 - solenoid, 14 - insulating spacer, 15 - current leads, 16 - storage medium and supply of the working fluid, 17 - evaporator and 18 - flow regulator.

ЯЭДУ содержит ядерный реактор 1, турбину 2, теплообменник-рекуператор 3, теплообменник-холодильник 4 и компрессор 5, соединенные газовым контуром 6. На одном валу с турбиной 2 и компрессором 5 установлен электрогенератор 7. Теплообменник-холодильник 4 и электрогенератор 7 с помощью жидкостного контура 8 связаны с холодильником-излучателем 9. Электроракетный двигатель образован катодом 10 и соплом-анодом 11, установленными соосно на торце полого вала 12, и соленоидом 13, размещенным снаружи сопла-анода 11. Полый вал 12 через изолирующую проставку 14, выполненную, например, из керамики, соединен с валом турбины 2. Генератор 7 связан через тоководы 15 с соленоидом 13. Система хранения и подачи рабочего тела 16 связана жидкостным контуром через испаритель 17 с газовым контуром 6 у входа в компрессор 5. Теплообменник-холодильник 4 связан через регулятор расхода 18 и коллектор 19 с внутренним каналом вала 12 электроракетного двигателя посредством газового контура 6.NEDU contains a nuclear reactor 1, a turbine 2, a heat exchanger-recuperator 3, a heat exchanger-cooler 4 and a compressor 5 connected by a gas circuit 6. An electric generator 7 is installed on the same shaft with the turbine 2 and the compressor 5. The heat exchanger-refrigerator 4 and the electric generator 7 are equipped with a liquid circuit 8 are connected to a radiator-radiator 9. An electric rocket engine is formed by a cathode 10 and an anode nozzle 11 mounted coaxially at the end of the hollow shaft 12, and a solenoid 13 located outside the anode nozzle 11. The hollow shaft 12 is provided through an insulating spacer 14, filled, for example, of ceramic, is connected to the shaft of the turbine 2. The generator 7 is connected via current leads 15 to a solenoid 13. The storage and supply system of the working fluid 16 is connected by a liquid circuit through an evaporator 17 to a gas circuit 6 at the inlet to compressor 5. Heat exchanger-cooler 4 connected through a flow regulator 18 and a collector 19 with the internal channel of the shaft 12 of the electric rocket engine through a gas circuit 6.

ЯЭДУ работает следующим образом.YaEDU works as follows.

Компрессор 5 обеспечивает циркуляцию газообразного рабочего тела (например, ксенона) по газовому контуру 6. Проходя через ядерный реактор 1, рабочее тело (газ) нагревается до максимальной температуры в цикле и поступает на турбину 2, где тепловая энергия газа преобразуется в механическую энергию вращения турбины 2.The compressor 5 circulates a gaseous working fluid (for example, xenon) along the gas circuit 6. Passing through a nuclear reactor 1, the working fluid (gas) is heated to a maximum temperature in the cycle and is supplied to turbine 2, where the thermal energy of the gas is converted into mechanical energy of rotation of the turbine 2.

Далее рабочее тело (газ) поступает в теплообменник-рекуператор 3, где передает часть неиспользованной тепловой энергии газу, поступающему в ядерный реактор 1. После этого рабочее тело (газ) охлаждается в теплообменнике-холодильнике 4 до минимальной температуры в цикле. Отвод теплоты от теплообменника-холодильника 4 и электрогенератора 7 обеспечивается с помощью жидкостного контура 8 и холодильника-излучателя 9. Компрессор 5 поднимает давление рабочего тела (газа) и прокачивает его через холодный тракт теплообменника-рекуператора 3, где рабочее тело (газ) подогревается и вновь поступает в ядерный реактор 1.Next, the working fluid (gas) enters the heat exchanger-recuperator 3, where it transfers part of the unused thermal energy to the gas entering the nuclear reactor 1. After that, the working fluid (gas) is cooled in the heat exchanger-cooler 4 to the minimum temperature in the cycle. The heat is removed from the heat exchanger-cooler 4 and the generator 7 by means of the liquid circuit 8 and the refrigerator-emitter 9. The compressor 5 raises the pressure of the working fluid (gas) and pumps it through the cold path of the heat exchanger-recuperator 3, where the working fluid (gas) is heated and again enters the nuclear reactor 1.

Электрогенератор 7, приводимый во вращение турбиной 2, обеспечивает энергией бортовые потребители и соленоид 13 через тоководы 15.The generator 7, driven by rotation of the turbine 2, provides energy to the on-board consumers and the solenoid 13 through current leads 15.

Рабочее тело в электроракетный двигатель подается из системы хранения и подачи рабочего тела 16 через испаритель 17 и газовый контур 6. Это обеспечивает снижение минимальной температуры рабочего тела в цикле.The working fluid is supplied to the electric rocket engine from the storage and supply system of the working fluid 16 through the evaporator 17 and the gas circuit 6. This ensures a decrease in the minimum temperature of the working fluid in the cycle.

Отвод рабочего тела от газового контура 6 к электроракетному двигателю осуществляется у входа в теплообменник-холодильник 4. При этом рабочее тело проходит через регулятор расхода 18, коллектор 19 и внутренний канал вала 12. Вместе с рабочим телом из газового контура 6 отводится часть теплового потока.The working fluid is removed from the gas circuit 6 to the electric rocket engine at the entrance to the heat exchanger-cooler 4. In this case, the working fluid passes through the flow regulator 18, the collector 19 and the internal channel of the shaft 12. Together with the working fluid, part of the heat flow is removed from the gas circuit 6.

Из внутреннего канала вала 12 рабочее тело через катод 10 поступает внутрь сопла-анода 11. Вращение сопла-анода 11 с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В_с, создаваемом соленоидом 13, по которому протекает ток I_c, приводит к появлению в токопроводящем материале сопла-анода 11 электродвижущей силы ε, направленной от катода 10 к выходному сечению сопла-анода 11. Это приводит к возникновению разности потенциалов между катодом 10 и выходной частью сопла-анода 11. При этом изолирующая проставка 14 предотвращает перетекание потенциала с сопла-анода 11 на турбину 2.From the internal channel of the shaft 12, the working fluid through the cathode 10 enters the nozzle-anode 11. The rotation of the nozzle-anode 11 with an angular velocity ω in a magnetic field with induction B _c created by the solenoid 13, through which current I _c flows, leads to the appearance in the conductive the material of the anode nozzle 11 of the electromotive force ε directed from the cathode 10 to the output section of the anode nozzle 11. This leads to a potential difference between the cathode 10 and the output part of the anode nozzle 11. In this case, the insulating spacer 14 prevents potential from flowing from the nozzle anode 11 to the turbine 2.

Под действием разности потенциалов между катодом 10 и выходной частью сопла-анода 11 в среде рабочего тела возникает ток разряда I_p, а рабочее тело переходит в состояние плазмы. Осевая составляющая тока разряда I_p создает азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей тока разряда I_p с азимутальным магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, которая ускоряет плазму и создает тягу.Under the action of the potential difference between the cathode 10 and the output part of the nozzle-anode 11, a discharge current I _p arises in the medium of the working fluid, and the working fluid passes into a plasma state. The axial component of the discharge current I _p creates an azimuthal magnetic field with induction B. The interaction of the radial component of the discharge current I _p with an azimuthal magnetic field gives rise to an Ampere force that accelerates the plasma and creates thrust.

Электроракетный двигатель всегда является самым энергоемким потребителем электрической энергии. В предлагаемой ЯЭДУ основная часть механической энергии вращения турбины преобразуется в электрическую энергию газового разряда непосредственно в камере электроракетного двигателя. При этом не требуется использование мощного электрогенератора, дополнительных устройств согласования выходных параметров электрогенератора и входных параметров ЭРДУ, а также силовых кабелей большого сечения. Благодаря этому существенно снижается масса электрогенератора и масса кабеля. В результате достигается значительное снижение массы ЯЭДУ.An electric rocket engine is always the most energy-intensive consumer of electric energy. In the proposed NED, the main part of the mechanical energy of rotation of the turbine is converted into electrical energy of a gas discharge directly in the chamber of an electric rocket engine. It does not require the use of a powerful electric generator, additional devices for matching the output parameters of the electric generator and the input parameters of the electric propulsion system, as well as power cables of large cross-section. Due to this, the mass of the electric generator and the mass of the cable are significantly reduced. As a result, a significant reduction in the mass of nuclear power sources is achieved.

Снижение мощности электрогенератора и исключение системы преобразования электрической энергии между электрогенератором и электроракетным двигателем, в свою очередь, приводят к уменьшению теплового потока, отводимого холодильником-излучателем. Кроме того, в предлагаемой ЯЭДУ рабочее тело, поступающее в электроракетный двигатель, обеспечивает частичное охлаждение газового контура за счет применения испарителя. В результате достигается значительное снижение массы и габаритов холодильника-излучателя.A decrease in the power of the electric generator and the exclusion of the system for converting electric energy between the electric generator and the electric rocket engine, in turn, lead to a decrease in the heat flux removed by the refrigerator radiator. In addition, in the proposed nuclear power plant, the working fluid entering the electric rocket engine provides partial cooling of the gas circuit through the use of an evaporator. As a result, a significant reduction in the mass and dimensions of the refrigerator-emitter is achieved.

Таким образом, достигается технический результат изобретения.Thus, the technical result of the invention is achieved.

Claims

A nuclear power plant containing a nuclear reactor, a turbine, a heat exchanger-recuperator, a heat exchanger-refrigerator and a compressor connected by a gas circuit, an electric generator mounted on one shaft with a turbine and a compressor, an electric rocket engine containing a cathode and an anode nozzle coaxially mounted on the end face of the hollow shaft , a solenoid located outside the anode nozzle, a refrigerator-emitter connected by a liquid circuit to a heat exchanger-refrigerator and an electric generator, and a storage and supply system for the working fluid, o characterized by the fact that the shaft of the electric rocket engine is connected through an insulating spacer to the turbine shaft, the electric generator is connected through current leads to a solenoid, the storage and supply system of the working fluid is connected through the evaporator to the gas circuit at the compressor inlet, and the gas circuit at the inlet to the heat exchanger-cooler is connected through a collector with an internal channel of the shaft of an electric rocket engine.