[发明专利]一种核热推进系统中的预热装置

说明书

一种核热推进系统中的预热装置，包括进气管道、供气母管、入口管道、预热腔室、出口管道和喷管；气体储箱中的气体冷却剂通过进气管道进入系统，进气管道与供气母管相连；供气母管与预热腔室之间通过多个入口管道相连；预热腔室位于喷管壁面内，在预热腔室中，低温气体吸收来自喷管内高温流体的热量实现预热，再从出口管道流出，进入核热推进反应堆堆芯；喷管用于将高温气体的内能转化为动能。该发明通过设计环形供气母管，解决了冷却剂在预热腔室中流量分配不均匀的问题，增强了喷管壁面预热冷却剂的能力，还可以减少由温度梯度产生的热应力对喷管材料的影响，提高核热推进系统的效率，增强安全性。

技术领域

本发明涉及核热推进技术领域，具体涉及一种核热推进系统中的预热装置。

背景技术

随着人类空间活动的日益增加，当前的化学推进、电推进的空间推进方式已经无法满足人类的需求，核热推进具有比冲大、推力大的特点，在未来的空间任务中必将扮演重要的角色。由于太空为真空环境，核热推进器需要携带一个储存冷却剂的容器，而为了减少航天器的重力，冷却剂往往选择分子质量小的气体，如氢气、二氧化碳。这些气体在储气罐中往往处于低温状态，若直接进入堆芯必将大大降低反应堆的效率，因此必须经过一个预热的过程。

核热推进器尾部装有一个喷管，用来将高温气体的内能转化为动能，推动飞行器飞行。喷管内的流体温度往往能达到上千K，正如核电系统中用高温水预热低温水一样，现有的设计方案利用喷管内的高温流体预热刚刚流入系统的冷却剂，低温气体从储气箱中流出后经过预热，吸收来自喷管内高温气体的热量，温度能提高上百K。但是如何设计预热装置这一问题，国内外学者研究的并不深入。在某种方案中，设计者在喷管壁面上铺设多根平行不等径的环形管道，低温气体在这些管道中预热，但由于喷管壁面与低温气体之间多了管道壁面这一层热阻，换热能力必然很低。还有一种方案，就是在喷管壁面内挖出一块空间，将低温气体注入这一空间，用高温的喷管壁面直接加热气体，但是由于壁面与低温气体的温差过大，若气体在该空间内的流量分配不均匀，容易出现局部换热能力过强、其他位置因流量小换热能力较差的现象，极易造成严重的流动不稳定，影响系统的稳定性，同时喷管壁面会出现局部低温区，产生较强的周向热应力，危害喷管的结构安全。

在种种设计方案中，使用喷管壁面直接预热低温气体必然是最高效的方式，而这一方案需要研究者合理地设计预热装置，其关键在于如何让低温流体均匀地流入喷管壁面内用来预热的空腔。气体的定压热膨胀率相较于液体更高，而低温气体与高温壁面间较大的温差又会带来较大的热流密度，正如上文所述，若气体在预热腔室内分布不均匀，出现局部流量过高的情况，其对系统稳定性以及材料安全的危害是非常严重的。低温气体经由泵从储气箱中抽出后，通过一根管道进入核热推进系统中，如何将管道中的低温气体注入到喷管壁面内的预热腔室，应该合理设计预热装置，确保气体均匀地与喷管壁面接触，保证系统的稳定性、设备的安全性。

发明内容

本发明的目的是针对核热推进系统流体初始温度低、堆芯温度高、系统高度集成这一特殊情况，设计一种预热装置，利用喷管内高温流体预热从储气箱中流出的低温流体，并保证低温流体能均匀地进入预热腔室，防止对系统的稳定性、设备的安全性产生危害。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核热推进系统中的预热装置，所述预热装置设置在核热推进反应堆堆芯6下部，包括进气管道1、供气母管2、入口管道3、预热腔室4、出口管道5和喷管7；所述进气管道1与供气母管2相连通，来自气体储箱中的低温气体冷却剂通过进气管道1进入供气母管2；所述供气母管2环绕设置在预热腔室4下部，所述预热腔室4环绕设置在喷管7外周圈，供气母管2与预热腔室4之间通过多个入口管道3相连通，预热腔室4上部通过多个出口管道5连通核热推进反应堆堆芯6，核热推进反应堆堆芯6下部连通喷管7；在预热腔室4中，低温气体吸收来自喷管7内高温气体的热量实现预热；所述喷管7用于将高温气体的内能转化为动能。

所述预热腔室4是喷管7壁面内的环形空腔。