ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
NUCLEAR POWER PROPULSION UNIT

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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Задачей настоящего изобретения явилось создание ЯЭДУ, которая обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении массы и габаритов ЯЭДУ.
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.
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.
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.
ЯЭДУ работает следующим образом.
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.
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.
Электрогенератор 7, приводимый во вращение турбиной 2, обеспечивает энергией бортовые потребители и соленоид 13 через тоководы 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.
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.
с
c
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, создаваемом соленоидом 13, по которому протекает ток I, 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.
p
p
p
Под действием разности потенциалов между катодом 10 и выходной частью сопла-анода 11 в среде рабочего тела возникает ток разряда I, а рабочее тело переходит в состояние плазмы. Осевая составляющая тока разряда I создает азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей тока разряда I с азимутальным магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, которая ускоряет плазму и создает тягу.
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.
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.
Таким образом, достигается технический результат изобретения.