Способ работы ядерной энергодвигательной установки (яэду) и устройство для его реализации (варианты)

Способ работы ядерной энергодвигательной установки (яэду) и устройство для его реализации (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 (КА) на орбиту, функционирования и последующего длительного энергообеспечения аппаратуры КА, а также обеспечения оптимальных ускоренных экспедиций к дальним планетам и в дальний космос.

Известны ядерные энергодвигательные установки (Ю.Г.Демянко, Г.В.Конюхов, А.С.Коротеев и др. Ядерные ракетные двигатели, ООО «Норма-Информ», Москва, 2001 г., стр.163-168), содержащие ядерный реактор с системой хранения и подачи рабочего тела, сопло и систему машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, в которых реализуются двигательный и энергетический режимы работы: тяга в режиме ядерного ракетного двигателя (ЯРД) и электрическая мощность в энергетическом режиме для питания бортовой аппаратуры КА, вырабатываемая в замкнутом контуре системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую. В указанном выше источнике информации упоминаются установки, которые, кроме отмеченных выше режимов, обеспечивают получение больших электрических мощностей в открытом цикле.

В условиях известных и ограниченных возможностей существующих ракет-носителей и ближайшей перспективы их развития целесообразно минимизировать массогабаритные характеристики выводимых КА и соответствующих энергодвигательных установок. Для реализации межорбитального перелета по энергетически оптимальным траекториям и обеспечения размещения орбитального комплекса [КА + средства межорбитальной транспортировки (СМТ)] в ограниченных габаритах под головным обтекателем ракеты-носителя использование рассмотренных ЯЭДУ затруднено, т.к. необходимый набор скорости может осуществляться только в режиме работы ЯРД при использовании в качестве рабочего тела водорода. Этот режим обеспечивает ускоренное выполнение целевой задачи. Однако преимущества водорода как рабочего тела с минимальным молекулярным весом для получения максимальной удельной тяги делают неизбежным создание баков с системой хранения достаточно больших объемов, что затрудняет их размещение под обтекателем ракеты-носителя. Получение больших электрических мощностей в открытом цикле режима работы ядерного ракетного двигателя из-за больших расходов рабочего тела может использоваться кратковременно для питания специальных устройств также кратковременного действия. Для создания продолжительного двигательного режима и длительного энергетического режима получение электрических мощностей в открытом цикле не может быть использовано.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей ЯЭДУ с одновременным минимизированием массогабаритных характеристик, что дает возможность использования существующих ракет-носителей и ракет-носителей ближайшей перспективы для осуществления ускоренных перелетов КА с опорных орбит на рабочие (включая геостационарные) и ускоренных экспедиций к дальним планетам в дальний космос.

Сущность предлагаемого способа работы ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) заключается в том, что в способе, обеспечивающем работу ЯЭДУ в двух режимах, двигательном за счет контура ядерного двигателя, в котором осуществляют подачу рабочего тела через турбонасосный агрегат в реактор, его нагрев и истечение из сопла с созданием тяги, и энергетическом, заключающемся в получении электрической энергии в замкнутом контуре системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, двигательный режим обеспечивают дополнительным введением в ЯЭДУ контура электрического двигателя, запуск которого осуществляют сигналом от системы управления на подачу рабочего тела на электрические движители, обеспечивающие дополнительную тягу, а в энергетическом режиме получают дополнительную электрическую энергию в контуре ядерного двигателя, за счет использования части разогретого в ядерном реакторе рабочего тела, поступающего на турбонасосный агрегат (ТНА) и дополнительно введенного электрического генератора, причем используемое при этом рабочее тело после отработки вновь направляется в ядерный реактор.

Предлагаемые данным изобретением два варианта устройства реализуют изложенный выше способ работы ЯЭДУ.

Первый вариант предлагаемого устройства (пункт 2 формулы изобретения) заключается в следующем - в ядерную энергодвигательную установку (ЯЭДУ), содержащую контур ядерного двигателя, состоящий из ядерного реактора с соплом, бака с рабочим телом и турбонасосного агрегата (ТНА), замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и систему управления, дополнительно введен контур электрического двигателя, включающий электрические движители с системой хранения и подачи рабочего тела и соединенный с системой управления, кроме того, контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала турбонасосного агрегата (ТНА) и соединен с системой управления.

Второй вариант предлагаемого устройства (пункт 3 формулы изобретения) заключается в следующем - в ядерную энергодвигательную установку (ЯЭДУ), содержащую контур ядерного двигателя, состоящий из ядерного реактора с соплом, бака с рабочим телом и турбонасосного агрегата (ТНА), замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую систему управления, дополнительно введен контур электрического двигателя, включающий электрические движители с системой хранения и подачи рабочего тела и соединенный с системой управления, кроме того, контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала автономной турбины, рабочее тело которой подводится от входа в турбину турбонасосного агрегата (ТНА), а отводится в активную зону ядерного реактора, и соединен с системой управления.

Одним из отличительных признаков способа работы ЯЭДУ и вариантов устройств для его реализации являются введение в установку контура электрического двигателя, состоящего из электрических движителей с системой хранения и подачи рабочего тела и включающегося в работу от сигнала системы управления. Электрический двигатель позволяет получить дополнительную тягу, которая обеспечивает организацию движения КА по энергетически оптимальным траекториям и коррекцию траектории полета КА. Энергетически оптимальная траектория определяется циклограммой работы ЯЭДУ, обеспечивающей минимальный объем и массу ЯЭДУ для выполнения целевой задачи.

Получение дополнительной электрической энергии в контуре ядерного двигателя является также отличительным признаком для способа работы ЯЭДУ. При этом вводится электрический генератор, для привода которого используется часть разогретого в ядерном реакторе рабочего тела.

В первом варианте ЯЭДУ контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от ТНА, часть мощности которого расходуется на работу электрического генератора. Во втором варианте ЯЭДУ контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала автономной турбины, рабочее тело которой подводится от входа в турбину турбонасосного агрегата (ТНА), а отводится в активную зону ядерного реактора. В обоих вариантах ЯЭДУ электрическая энергия, полученная в контуре ядерного двигателя поступает через систему управления в контур электрического двигателя, на питание бортовых систем КА и целевую аппаратуру. Выбор варианта схемы устройства ЯЭДУ по приводу электрического генератора контура ЯРД зависит от совместимости оптимальных характеристик ТНА и электрического генератора.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими схемами.

На Фиг.1 представлена схема ЯЭДУ, в которой контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от ТНА. На Фиг.2 представлена схема ЯЭДУ, в которой контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала автономной турбины.

Согласно предлагаемому изобретению ЯЭДУ (Фиг.1) содержит контур ядерного двигателя 1, замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую 2, систему управления 3, бортовые системы космического аппарата (КА) 4, контур электрического двигателя 5. В состав контура ядерного двигателя 1 входят: ядерный реактор 6 с соплом 7, бак 8 с рабочим телом, турбонасосный агрегат (ТНА) 9 с турбиной 10 и насосом 11, электрический генератор 12. В контур электрического двигателя 5 входят электрические движители 13 и система хранения и подачи рабочего тела с баком рабочего тела 14 и насосом 15.

В схеме ЯЭДУ на Фиг.2 введена автономная турбина 16.

Предлагаемые способ работы ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) и устройства для его реализации позволяют обеспечить следующую последовательность режимов работы установки.

По сигналу от системы управления 3 включается турбонасосный агрегат 9, обеспечивающий подачу рабочего тела в ядерный реактор 6, где рабочее тело нагревается до заданной температуры и часть его истекает из сопла 7, создавая тягу, а часть выводится из ядерного реактора 6 и через турбонасосный агрегат 9 возвращается в ядерный реактор 6 для дальнейшего использования. После выхода ядерного реактора 6 на заданный режим происходит запуск электрического генератора 12 с приводом от вала турбонасосного агрегата 9 (Фиг.1), либо с приводом от вала специально введенной в схему контура ядерного двигателя 1 автономной турбины 16, работающей на нагретом в ядерном реакторе 6 рабочем теле, которое после отработки возвращается в ядерный реактор 6. Получаемая в контуре ядерного двигателя 1 электрическая энергия от электрического генератора 12 через систему управления 3 обеспечивает включение и работу контура электрического двигателя 5. Рабочее тело этого контура поступает с помощью насоса 15 из бака 14 на электрические движители 13, где нагревается и истекает из сопел, создавая тягу, которая может обеспечить движение КА по траектории, коррекцию орбиты и ориентацию полета КА. После выработки запаса рабочего тела при завершении работы ЯЭДУ в режиме ЯРД в контуре ядерного двигателя 1 сопло 7 ядерного реактора 6 может перекрываться, тяги нет, электрический генератор 12 в контуре ядерного двигателя 1 не работает. Бак хранения рабочего тела 8 может сбрасываться. По сигналу от системы управления 3 включается в работу замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую 2 (элементы схемы замкнутого контура на Фиг.1 и 2 не показаны). Рабочее тело замкнутого контура 2 поступает в ядерный реактор 6, нагревается и поступает на турбину. Турбина приводит в движение компрессор (или насос) и электрический генератор, компрессор (или насос) гидравлически обеспечивает движение рабочего тела по замкнутому контуру 2. Полученная в замкнутом контуре 2 электрическая энергия через систему управления 3 направляется на обеспечение работы контура электрического двигателя 5, т.е. рабочее тело этого контура подается на электрические движители 13, где нагревается и истекает из соответствующих сопел, создавая тягу. Кроме того, полученная в замкнутом контуре 2 электрическая энергия через систему управления 3 обеспечивает питание бортовых систем 4 и специальной аппаратуры.

Последовательность режимов работы основных узлов схемы предлагаемой установки может меняться в зависимости от программы и задач полета КА.

1. Способ работы ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ), обеспечивающий работу двух режимов: двигательного за счет контура ядерного двигателя, в котором осуществляют подачу рабочего тела через турбонасосный агрегат в реактор, его нагрев и истечение из сопла с созданием тяги, и энергетического, заключающегося в получении электрической энергии в замкнутом контуре системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, отличающийся тем, что двигательный режим обеспечивают дополнительным введением в ЯЭДУ контура электрического двигателя, запуск которого осуществляют сигналом от системы управления на подачу рабочего тела на электрические движители, обеспечивающие дополнительную тягу, а в энергетическом режиме получают дополнительную электрическую энергию в контуре ядерного двигателя за счет использования части разогретого в ядерном реакторе рабочего тела, поступающего на турбонасосный агрегат (ТНА), и дополнительно введенного электрического генератора, причем используемое при этом рабочее тело после отработки вновь направляется в ядерный реактор.

2. Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ), содержащая контур ядерного двигателя, состоящий из ядерного реактора с соплом, бака с рабочим телом и турбонасосного агрегата (ТНА), замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и систему управления, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введен контур электрического двигателя, включающий электрические движители с системой хранения и подачи рабочего тела и соединенный с системой управления, кроме того контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала турбонасосного агрегата (ТНА) и соединен с системой управления.

3. Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ), содержащая контур ядерного двигателя, состоящий из ядерного реактора с соплом, бака с рабочим телом и турбонасосного агрегата (ТНА), замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и систему управления, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введен контур электрического двигателя, включающий электрические движители с системой хранения и подачи рабочего тела и соединенный с системой управления, кроме того контур ядерного двигателя снабжен электрическим генератором с приводом от вала автономной турбины, рабочее тело к которой подводится от входа в турбину турбонасосного агрегата (ТНА), а отводится в активную зону ядерного реактора, и соединен с системой управления.