随着空间任务对能源动力需求的不断增长,常规化学能和太阳能由于已无法适应大范围轨道转移、空间拖船、深空探测等空间任务^[1-2]。核能以其长期、稳定的能量供应和大功率输出的特点,在可预期的未来成为了解决空间能源问题的唯一途径^[3]。然而,核能只能提供热能,虽然可以通过加热氢来达到900s的高比冲核热推进^[4-5],但是在实现7000s比冲以上的高效核电推进^[6]、星表能源站或者其他科学载荷时需要进一步将核的热能转化为电能。以核反应堆为热源的空间大功率电源的研究从20世纪50年代开始一致持续至今,并且逐渐向着更高的功率量级发展^[7]。

核反应堆空间电源中除了反应堆之外,热电转换系统承担了将热能转换成电能的重要任务。热电转换方式主要包括静态转换(温差、热离子、碱金属等)和动态转换(朗肯循环、布雷顿循环、斯特林循环)两类,其中动态转换效率往往高于静态转换,一般情况下更适合大功率应用场合^[8]。在动态转换中,布雷顿循环相比于朗肯循环和斯特林循环,能够兼顾转换效率和系统质量^[9],更重要的是随着系统功率的增加,布雷顿循环系统的质量比功率(kg/kWe)逐渐减小^[10]。因此,国外百千瓦和兆瓦级核动力飞行器均采用了布雷顿循环作为热电转换方案^[11-12]。

国外对于空间闭式布雷顿循环的研究起步较早,理论研究方面进行了热力循环的参数分析优化^[13]、系统工作特性的仿真验证^[14]等工作; 试验验证方面,从早期的十千瓦级小功率核心机的系统试验^[15]逐渐发展到多机组并联闭式布雷顿循环研究^[16]、百千瓦级大功率核心机与电推进联合演示验证^[17]。国内闭式布雷顿循环的研究主要集中在系统级的热力学循环性能分析^[18]、基于重量尺寸和性能的多目标参数优化等^[19-20],缺乏对具有空间应用特点的闭式布雷顿循环动态工作特性和运行控制策略的研究。本文以美国普罗米修斯计划的木星冰盖卫星轨道器Jupiter Icy Moon Obiter(JIMO)任务为研究对象,一方面在其总体循环参数的基础上,对涡轮、压气机等关键组件进行设计,获取组件特性; 另一方面,根据其总装结构,建立管路模型。最终,建立全系统动态仿真模型,对系统容积变化、旁通阀开关引起的系统状态变化进行分析研究。

本世纪初,NASA开始了普罗米修斯计划和JIMO任务。根据之前的技术积累,研制初期即确定了闭式布雷顿循环作为热电转换系统^[12]。热电转换系统采用简单回热式布雷顿循环以提高转换效率,系统输出功率为200 kWe,采用两个额定发电功率为100 kWe的闭式布雷顿循环发电模块并联实现。考虑到涡轮叶片材料以及辐射散热系统的尺寸重量,循环高低温端温度分别取为1 150 K和411 K,系统压比2.0,整体循环热效率为22.3%^[21]。循环各处温度压力参数如图1所示。

图1 100 kWe闭式布雷顿循环参数
Fig.1 Parameters of 100 kWe closedBrayton cycle

在闭式布雷顿循环总体参数以及各组件设计确定的条件下,影响系统容积的主要因素是各组件之间的连接管路,而连接管路的长度与走向直接与系统布局有关,即系统总装布局决定了系统容积。由于以反应堆为热源的空间闭式布雷顿循环系统在飞行器上的位置靠近核堆,因此总装布局需要考虑:①减小闭式布雷顿循环系统横截面积,通过减小屏蔽角来降低反应堆屏蔽层质量(约占反应堆总重量的53%); ②减小管道长度,降低系统流动阻力。JIMO项目在反应堆与闭式布雷顿循环气体回路之间设有主换热器,因此热源容积按照主换热容积计算。根据组件设计和表 2管道数据,系统各部分容积占比和循环高、低压侧容积对比如图 8所示。系统容积构成中高压侧与低压侧容积分别为54.04%和45.96%,其中回热器占比最大达46.84%,管道次之,占30.63%。

图8 闭式布雷顿循环各部分容积占比
Fig.8 Volume percentage of each component in closed Brayton cycle

以表 2数据为基准,改变管道长度来计算不同管道容积(即总装布局)下的系统性能变化,结果如图 9所示。

图9 不同容积下旁通阀调节对系统的影响
Fig.9 Effect of bypass valve regulation on system under different volumes

图9中200%和50%管道容积分别表示将表 2数据中的管道数据增加一倍和减半,管径保持不变。管道长度较大的系统容积较大,仿真计算过程中,保持初始系统中的工质充装压力相同(容积大的系统工质充装质量较大)。此时容积大的系统相比于容积较小的系统而言,在核心机达到额定转速时系统压比略小而流量略大。同时,旁通阀开度一致的情况下,旁通流量对于不同容积系统而言基本相同。因此容积大的系统在旁通阀打开并重新达到平衡后,功率略大于容积小的系统。即在相同的阀门开度和响应时间下,旁通阀对系统功率变化的程度与系统容积呈现负相关的关系。值得注意的是,管道长度增加必然导致流阻增加,但由于系统循环阻力主要集中在换热器芯体,因此由此造成的功率下降并不明显。

本文利用JIMO热电转换系统参数对压气机、涡轮进行了气动设计,并且利用该系统换热器参数得到了回热器与冷却器的性能参数,最后基于各组件模型和管路布局形成了100 kWe空间闭式布雷顿循环热电转换动态仿真模型,通过该模型对旁路调节下的系统动态特性进行了仿真计算。结果表明:

1)通过压气机与涡轮两者出口之间的旁通阀,可实现系统输出功率和转速的快速调节; 同时,该调节方式会造成循环高压侧压力下降和低压侧压力上升,并且导致涡轮出口温度升高和压气机出口温度降低,由此对回热器造成一定冲击。

2)系统在旁通调节后的最终平衡状态与阀门响应时间无关,仅与阀门开度有关。

3)阀门响应时间影响调节过程中参数变化的剧烈程度,尤其是功率变化出现超调的现象。

4)通过管道容积对比不同系统容积下旁路调节的系统特性,容积较大的系统在旁通流量一定的情况下,系统变化程度略小。