/oa /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404001 介绍了核热火箭发动机基本原理,回顾和分析了美、俄(苏联)核热火箭发动机的研制历程。美国在早期核热火箭发动机的研制过程中主要采用整机试验模式进行研究,Rover/NERVA期间先后建立了20余个反应堆,获得了大量的试验数据,这些数据至今仍在美国核热火箭发动机的研究中发挥着重要作用。后续在SNTP计划中以提高反应堆性能为目标进行了颗粒床反应堆(PBR)研究。在NCPS计划中提出了经济可承受的思路,并采用电加热非核模拟方式开展燃料元件的筛选研究,降低了成本和危险性。在任务需求方面,围绕载人登火和地月经济圈活动,提出了DRA5.0载人火星计划以及天龙座(DRACO)计划。俄罗斯(苏联)与美国基本同时开展了核热发动机研究,其技术路线主要以反应堆燃料元件技术为主,研制出扭转条状耐高温的多元碳化物燃料元件,参数水平居于世界领先。通过总结美俄核热火箭发动机的研制趋势,对核热火箭发动机反应堆关键技术进行了分析,并对我国未来开展核热火箭发动机的研究提出了发展建议。 2024年08月25 00:00 2024年04期 1 13 5429068 马晓秋¹,解家春² /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404002 为解决航天任务中太阳能利用困难和化学能能力瓶颈的问题,发展空间核动力势在必行。核热火箭发动机具有运行能量转换效率高、推力调节范围广、比冲大、长驻留、启动快、可多次启停等优点,近年来再次成为国内外研究热点。通过回顾美俄在核热火箭发动机技术上的发展历程,梳理涉及的反应堆、发动机、推进剂管理、地面试验、系统仿真与核安全等相关的关键技术,总结美俄核热火箭发动机发展的启示,为未来空间核热火箭发动机的规划论证与技术研发提出发展建议。 2024年08月25 00:00 2024年04期 14 30 5355842 彭乐钦,杨宝娥,马元,高玉闪,杨岸龙,徐天罡,吴慧博 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404003 核热火箭具有推力大、比冲高的特点,在长距离、高载荷的空间任务中相较常规推进方式具有巨大优势。与地面常规反应堆相比,核热火箭反应堆尺寸、质量要求严格,同时运行温度高,热应力大,还需承受发射时的恶劣力学环境,因而需要合理稳固的结构设计。基于此需求开展调研总结,主要整理了美国NERVA-I型、NERVA-II型和CERMET燃料核热火箭反应堆的结构设计,梳理核热火箭反应堆典型结构设计,总结国外设计经验,为核热火箭方案迭代与实现提供参考。 2024年08月25 00:00 2024年04期 31 41 3138117 赵润喆,吕征,解家春,霍红磊 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404004 空间热电转换技术是空间核电源的关键技术之一,发电功率覆盖瓦级至兆瓦级,可满足各类航天任务对空间电源的需求,因此发展空间热电转换技术至关重要。从基本原理、国内外应用情况等方面梳理包括热电偶转换、热离子转换、碱金属转换、磁流体转换、热光伏转换、朗肯循环、斯特林循环和布雷顿循环在内的各种空间核电源热电转换技术研究进展,总结各种热电转换技术空间应用的技术难点,分析热电转换技术实现长寿命、免维护基本要求的研发方向,针对不同空间核电源的功率需求,提出热电转换技术主导方案。当空间核电源功率需求小于100 kWe时,建议采用热电偶转换或热离子转换等静态热电转换技术; 当功率需求超过100 kWe时,应采用布雷顿循环等动态热电转换技术。 2024年08月25 00:00 2024年04期 42 54 2639311 陈金利^1,2,薛翔^1,2,王园丁^1,2,王浩明^1,2,杜磊^1,2,林庆国^1,2 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404005 面向未来超远距离的深空探测任务,核电推进方式凭借高比冲、长寿命等特点成为了目前较优的可选方案。核电推进航天器利用热电转换技术将核反应堆的热能转换为电推进系统所需的电能。为了进一步扩大深空探测距离并缩短任务周期,需要借助大功率核反应堆及其配套的热电转换技术提高电推进系统的功率等级。该技术方案受制于核反应堆等级、系统功率密度、技术成熟度等多方面因素。通过不同方案对比,初步拟定了核电推进航天器上采用的热电转换技术方案并进行了相应评估,同时确定了方案中的主要限制因素与最大风险挑战。 2024年08月25 00:00 2024年04期 55 65 7581227 薛翔^1,2,陈金利^1,2,王浩明^1,2,唐志鹏^1,2,王园丁^1,2 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404006 深空探测技术的发展对动力系统提出了更高的要求。传统的太阳能电源与化学电源的适用范围较小,环境适应能力不强,而微型核反应堆电源能量密度高,不依赖太阳光照,可应用于轨道运输、高轨探测多场景任务。在微型核反应堆电源技术路线中,热管冷却核反应堆电源因其系统设备极大简化、模块化设计,高可靠的全固态堆芯、非能动传热及瞬态响应迅速等特性,成为空间核反应堆电源最具可行性的路线之一。通过文献调研总结目前空间热管堆发展现状,从发展历史出发,梳理热管冷却核反应堆电源设计和理论研究,总结热管冷却核反应堆电源发展方向和关键技术。 2024年08月25 00:00 2024年04期 66 75 2745286 刘逍,王宁,张开远,齐敏,李仲春,张卓华,谢细明,柴晓明 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404007 核热推进系统不仅要像传统动力堆产生预期功率,还需具备快速启动与推力调节的能力,以满足其变轨与机动的需求。因此,瞬态分析对于核热推进系统的方案设计、运行策略和集成试验等有重要作用。以颗粒床反应堆燃料组件为研究对象,建立了一维瞬态热工水力模型,并分析了功率提升过程以及反应性引入后的响应特性。研究发现由于颗粒床反应堆热量载出能力强,且燃料颗粒自身热容小,因此在启动等瞬态过程中换热滞后现象较弱,从而避免了堆芯内由于蓄热效应显著可能造成的超温或热应力过大等现象,有利于实现快速启动。额定工况下引入阶跃反应性,冷却剂载热滞后于堆芯释热约0.1 s,同样有利于系统功率和推力的快速调节。此外,颗粒床反应堆堆芯阻力会随着功率升高而增大,因此在启动和推力调节等过程中需要进一步研究反应性引入与推进剂供应量的匹配技术,以实现核热推进系统的运行与控制。 2024年08月25 00:00 2024年04期 76 82 1919184 毛晨瑞,吉宇,孙俊,郎明刚,石磊 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404008 核热推进采用的超高温气冷堆堆芯长期运行在高热流密度、大功率梯度、大温差、高速冷却剂冲刷的严苛服役条件下,其内部的六棱柱型燃料元件可能发生应力集中导致引发结构失效风险,影响核反应堆燃料元件的运行安全性能。为探索核热推进燃料元件的热工应力行为规律及热工安全边界,以火箭飞行用核引擎(nuclear engine for rocket vehicle applications,NERVA)型核热推进反应堆为对象,选取反应堆内部密排燃料组件基本单元,建立对称模型,针对堆内(U,Zr)C石墨基复合燃料元件开展高温高流速氢气推进模式下的流-热-应力行为研究,评估燃料元件的高温熔化与断裂失效风险。研究结果表明:核热推进反应堆运行工况下,燃料元件受自身冷却剂通道排布方式与连接管元件冷却作用影响导致内部热流分配不均; 径向大温差带来的热膨胀差异在轴向上积累是引发燃料元件结构断裂失效的主要原因; 综合分析燃料元件内部的温度-应力场分布情况与影响因素,可为核热推进系统的运行安全设计提供优化思路与参考依据。 2024年08月25 00:00 2024年04期 83 93 7853160 周之帆,章静,巫英伟,贺亚男,郭凯伦,王明军,苏光辉,秋穗正,田文喜 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404009 核热推进反应堆一般选用氢气做工质,通过堆芯燃料颗粒加热到高温,以实现较高的发动机推力和比冲。基于美国核热推进火箭发动机的典型堆芯设计方案,在高温气冷堆球床有效导热系数模型的基础上,对更小直径的燃料颗粒与更高温度的氢气工质组成的颗粒床混合介质进行了初步计算,获得了燃料种类、颗粒直径、孔隙率等关键参数对堆芯导热能力的影响规律。同时,考虑到燃料颗粒采用多种材料复合而成的包覆型结构,采用均匀化方法对不同材料的基础热物性进行了等效计算,从而为有效导热系数模型提供固体域平均导热参数。从计算结果来看,颗粒直径和孔隙率对有效导热系数的影响更大,特别是高温条件下辐射换热作用占主导,使得材料自身导热系数的贡献很小。 2024年08月25 00:00 2024年04期 94 102 2257415 游尔胜¹,李依依¹,王甜蜜¹,幸奠川¹,吉宇²,徐建军¹ /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404010 液态金属绕流管束对流换热能力强,其应用有助于换热设备小型化,是空间动力反应堆主换热器设计的较好选择。失重是空间环境的典型特征,失重和重力条件下液态金属绕流管束流动传热特性的异同尚不清楚,阻碍了液态金属用于空间反应堆的发展进程。为此,通过雷诺时均数值模拟方法,对比研究了失重和重力条件下液态金属绕流管束湍流传热特性,获得了局部温度与速度分布,得到了流动传热性能变化规律。结果表明:竖直向下流动时,液态金属对流传热性能在失重和重力条件下表现不同; 重力条件下浮力影响了流场和温度场,相比失重条件,阻力和换热性能最大偏差约10%。 2024年08月25 00:00 2024年04期 103 109 2904108 肖辉¹,郭靓¹,兰治科¹,马元²,王苏豪¹,王盛¹ /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404011 高温气冷堆是核热推进的主力候选堆型之一,燃料元件的性能直接决定了反应堆的性能,高温气冷堆的燃料元件形式众多,高安全性的弥散微封装燃料在高温气冷堆中具有极高的应用前景。因此,有必要针对高温气冷堆用弥散微封装燃料开展研究。提出将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体的多孔弥散微封装燃料的设计方案,并基于有限元分析软件COMSOL建立了三维热流固耦合分析模型,初步实现了该燃料元件性能分析,开展了不同冷却剂流量下的燃料元件热力行为分析。结果表明:流量越高,燃料元件最高温度越低,分别为1 340、1 250、1 180 K,远低于SiC材料熔点,无熔化风险; 六棱柱内部的温度分布相对均匀,而六棱柱6个角处的温度分布相对不均匀; 基体最大主应力出现在冷却剂流道周围,最大主应力最大值为95.6 MPa,其余位置整体最大主应力较小,最大主应力低于SiC材料断裂强度。 2024年08月25 00:00 2024年04期 110 116 1580147 李晨曦,李权,黄永忠,赵波,王浩煜,刘仕超,李垣明,陈平 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404012 针对核热火箭发动机系统方案展开深入研究,提出了3种液体火箭发动机系统循环选型和3种系统流路设计方案。以高比冲和经济性为优化目标进行系统热力循环选型和系统参数优化设计,最终选择了一种基于带驱动元件金属陶瓷(CERMET)快堆的闭式膨胀循环高性能系统方案。采用遗传算法进行该优化方案下系统参数最优化分析,结合工程实际最终得到室压5 MPa,涡轮前温度400 K,比冲大于900 s的优化设计系统方案,并对相关组合件理论特性进行分析,提出未来组件优化方向,为后续核热火箭发动机设计提供基础。 2024年08月25 00:00 2024年04期 117 125 2738586 何雪晴,李耀阳 /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404013 针对空间核动力在深空探测领域的应用和需要,在简单回热式布雷顿循环的基础上,通过增加压气机的级数来提升系统的效率并降低对于压气机的性能要求,提高其可靠程度。通过建立氦氙物性模型和循环热力学模型,通过基于Sobol方法的敏感性分析方式,研究了循环关键节点温度、叶轮机械效率、压气机压比等参数对循环热效率和比质量的影响,并基于多目标粒子群算法进行了多目标优化获得系统关键性能参数的帕累托解集。计算结果表明:在相同的参数条件下多级压缩布雷顿循环热效率为22.33%,优于单级压气机的布雷顿循环17.75%的热效率。增加压气机的级数有效提高了系统的净效率,降低了对压气机的负荷,为高效空间核动力系统设计提供了理论依据。 2024年08月25 00:00 2024年04期 126 139 1690834 李可一¹,游尔胜²,周子杨¹,张昊春¹ /oa/darticle.aspx?type=view&id=202404014 针对空间反应堆要求能量密度高和长寿命等特点,提出一种以气体箔片轴承作为支承,高效率径流式叶轮作为驱动的离心式压气机设计方案。以特定流量、压力、功率和效率作为设计依据,进行叶轮的气动设计,得到高效率压气机和高效率径流式涡轮模型。基于有限元法,对径向气箔轴承的顶箔变形分别采用欧拉梁和厚板模型进行表达,并结合Reynolds方程进行求解,厚板模型的计算结果准确反映了顶箔沿轴向的变形,由此得到的气膜厚度、气膜压力和承载力更加符合实际,在厚板模型基础上求得轴承动态刚度和阻尼系数更为合理。选取合理的轴承模型获取了转子系统的临界转速和闭式布雷顿系统的最低起飞转速,并由线性轴心轨迹得知转子系统在额定工况具有更好的稳定性。最后对止推箔片轴承的承载特性进行了分析,提出了装配注意事项,为10 kWe空间堆闭式布雷顿系统驱动单元样机研制提供了理论指导。 2024年08月25 00:00 2024年04期 140 148 4437585 连军伟^1,2,贺雷²,林蓬成²,车雪娇²,周永华²