[发明专利]类球形结构高精度矢量合成核能微推进系统

说明书

本发明公开了一种类球形高精度矢量合成核能微推进器，包含类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构。本发明使用核自发衰变形成的粒子动能形成反冲动力，利用类球形结构排布不同推力指向的推力单元，通过叠层式对旋结构对每个推力单元进行独立、连续控制，以形成总推力的大小和方向高精度可调的微推进器，并将衰变伴生的热能进一步转化为电源和热源使用且本发明特别适应高精高稳平台的精确控制应用。

技术领域

本发明属于空间核能推进、微推进和矢量推进技术领域，具体而言，本发明涉及一种类球形结构高精度矢量合成核能微推进器，具体为是面向航天器应用的、核能推力面元通过类足球结构进行合成、通过面元开关进行大小、开闭状态控制的高精度矢量推力合成推进系统。

背景技术

近年来，随着空间科技的不断发展以及空间探索的持续深入，空间飞行器的动力源种类逐渐丰富，从微牛量级至千牛以上的动力系统，姿态调整系统层出不穷，与之配套的推进装置在不断的实践中也逐渐产生了许多改变和革新。

目前，国际上先进推进的种类很多，已有的先进电推进有近十种方案，涉研单位广泛，成熟度不一，非电推进也有很多方案，如：微波/激光(合称能量束)推进、聚变、电帆、金属氢、高氮化合物、反物质、裂变碎片推进等。这些先进推进很多处于TRL<3阶段，先进推进领域研究还很不充分。

核能推进是航天器先进推进技术的前沿之一。在各种先进推进中，核能具有能量密度高、寿命长、比冲大的特点，是先进推进研发的前沿之一，NASA在“未来空间技术发展路线”和“三十项关键技术”都提到要大力发展先进核能推进。目前，核能推进的关注点几乎围绕在核热推进，其核心是一个裂变堆，而裂变以外其他核能推进都属于尚无足够技术支撑的超前概念，如核聚变，反物理和裂变碎片等。基于裂变的核热推进也处于起步阶段，国际上核裂变应用于空间推进还处于理论与实验研究阶段(主要是美、俄)，国内尚无相关的空间实验。核裂变堆最大的困难在于小型化，其受到裂变临界体积的限制，目前不能达到立方米以下的体积、吨以内的质量，并不适应小型化应用。

推进系统的另一个热点方向是微推进，微推进器一般指微牛到牛顿量级推力的推进器。Astro Recon会议上总结近期最成熟、有望成为主推进的微推进有三种：碘霍尔电推进器(Iodine Hall)，微型电喷射推进器(MEP，Micro Electrospray Propulsion)和太阳帆(Solar Sails)，分别处在TRL5，TRL5，TRL6-7技术阶段。前两者寿命有限，需要kW以上的电能消耗，后者矢量控制难度大，ADCS系统复杂。目前对微推力要求最高的是引力波、重力场测量以及近代基础物理实验的航天器。国际上如LISA(Laser Interferometer SpaceAntenna)，GG(Galileo Galilei)，GOCE(Gravity Field and Steady-State OceanCirculation Explorer)，TEPO(Test of the Equivalence Principle with Opticalreadout in space)，要求微推力精度控制达到0.1微牛，目前仅有少数国家少数推进器类型达到该要求，我国尚无相关能力。

航天器，特别是长寿命航天器和深空探测航天器，需要携带大量的推进工质以维持长期消耗，部分计划要求初始超过50％的重量用来携带推进工质，这对航天运载和结构、可靠性、寿命、飞行中任务规划等都带来了巨大挑战。寻找无/少工质的推进方式是航天推进永不失活的命题，但目前缺少实现途径。

矢量推进是能够改变推力方向与大小的推进方式。气体反冲式、化学反冲式、离子反冲式、核动力式、太阳能式等传统以及新型空间动力源，主要依靠推进器姿态调整、扰流板、二次喷流、挠性喷口、喷口叶片等方式。姿态控制方式的工作模式是调整推进器姿势，进而调整推力方向，但姿态控制式的推力矢量控制方式，复杂、缓慢，还因为推进器转动引起星本体角动量变化，从而使得对星本体也要进行消旋和消振操作，使得控制过程更加复杂和缓慢。