采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统

1.本实用新型属于航天器工程技术领域，尤其涉及一种采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统。


背景技术：

2.随着航天科技的不断发展，空间能源需求不断增长，受传统能源技术水平的限制，空间能源受到质量、寿命等的限制，当前难以适用大功率应用场景。核能具有高能量密度、长寿命、无需阳光氧气等优点，适用于空间环境。公布号cn114044170a，公开了一种使用模块化屏蔽体结构的核动力航天器，其包括反应堆，屏蔽体组件，展开机构支撑、太阳能电池帆板以及航天仪器设备舱；此专利采用一个反应堆提供核能，整体功率小，无法提供大功率的空间核能。若研发大功率的空间核能，存在研发成本高、研发周期长和可靠性、安全性要求较高的问题。进而提供一种采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统。


技术实现要素：

3.本实用新型需要解决的技术问题是：现有采用核能的航天器，功率较低，无法适用于大功率的空间核能；进而提供一种采用多堆芯组合布置架构的空间核动力系统，其结构具有模块化特征及较高全寿命周期可靠性，通过单模块组合布置，构成更大功率量级的空间核动力系统，可缩减研发经费及研制周期，为大功率空间核动力系统应用提供新的途径。
4.本实用新型为解决上述技术问题采用的技术方案是：
5.采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，它包括核反应堆组件、伸展机构、航天器平台和辐射散热器；所述的核反应堆组件与航天器平台之间通过伸展机构进行连接并隔离，所述的辐射散热器安装在伸展机构上；
6.所述的核反应堆组件包括支撑架体以及由前至后顺次安装在支撑架体内的反应堆组、辐射屏蔽体和若干个控制棒组；所述的反应堆组是由若干个反应堆以阵列的形式组合而成，所述反应堆组中反应堆的个数与控制棒组的个数相同，每个反应堆由一个控制棒组进行控制。
7.进一步的，每个控制棒组包括一个驱动电机和一个控制棒；所述的驱动电机安装在辐射屏蔽体远离反应堆组的一侧，控制棒的一端连接在驱动电机的驱动端，控制棒的另一端穿过辐射屏蔽体连接在反应堆上。
8.进一步的，所述的支撑架体包括依次连接的反应堆外支撑架、反应堆内支撑架、屏蔽体支撑架和控制棒组支撑架；所述的反应堆外支撑架套在反应堆内支撑架外，且反应堆组安装在二者之间保持固定不动；所述的辐射屏蔽体安装在屏蔽体支撑架103内，所述的若干个控制棒组安装在控制棒组支撑架内。
9.进一步的，所述的反应堆内支撑架为多棱柱形，且多棱柱的每个侧壁向内凹陷形成弧形面，所述的弧形面与反应堆的外表面相契合。
10.进一步的，所述反应堆的个数为三个，并以等边三角形的方式进行排列，所述的反
应堆内支撑架为三棱柱。
11.进一步的，所述反应堆的个数为四个，并以四边形的方式进行排列，所述的反应堆内支撑架为长方体。
12.进一步的，所述的航天器平台包括航天仪器设备舱、两个太阳能电池帆板、两个太阳翼、若干个推进剂贮箱和若干个推进系统；所述的航天仪器设备舱连接在伸展机构的端部，所述的两个太阳能电池帆板分别通过一个太阳翼安装在航天仪器设备舱的两侧，并具有聚拢与伸展功能；所述的若干个推进系统安装在航天仪器设备舱后，所述的若干个推进剂贮箱安装在航天仪器设备舱下。
13.本实用新型与现有技术相比产生的有益效果是：
14.1、本实用新型的多堆芯组合布置架构具有模块化特点，即一个反应堆对应一个控制棒组，可根据任务需要调节反应堆的开启个数及功率，快速形成覆盖数十千瓦到百千瓦不同功率量级的空间核动力系统，满足不同任务的需求。
15.2、本实用新型所形成的较大功率核动力系统是由成本较低、技术成熟的小功率空间反应堆并联布置组合而成，无需研发大功率核反应堆，降低研发成本、整体成本较低；
16.3、本实用新型具有多重冗余功能，单个反应堆系统故障不会导致整个系统完全失效，在进行必要处置后可降低功率继续运行。
附图说明
17.附图作为本技术的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解。
18.图1为航天器系统伸展后的整体结构示意图；
19.图2为航天器系统聚拢到整流罩内的整体结构示意图；
20.图3为反应堆的结构示意图；
21.图4为反应堆的排布示意图，图(a)为三个反应堆的排布示意图，图(b)为四个反应堆的排布示意图。
22.附图标记说明：1、支撑架体；101、反应堆外支撑架；102、反应堆内支撑架；103、屏蔽体支撑架；104、控制棒组支撑架；2、反应堆组；201、反应堆；3、辐射屏蔽体；4、控制棒组；401、驱动电机；402、控制棒；5、伸展机构；6、辐射散热器；7、航天仪器设备舱；8、太阳能电池帆板；9、太阳翼；10、推进剂贮箱；11、推进系统；12、整流罩。
具体实施方式
23.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
25.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.参见图1和图2，本技术实施例提供一种采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，它包括核反应堆组件a、伸展机构5、航天器平台c和辐射散热器6；所述的核反应堆组件a与航天器平台c之间通过伸展机构5进行连接并隔离，所述的伸展机构5具有伸缩功能，当需要将航天器系统装在整流罩12内并运载时，伸展机构5实现核反应堆组件a与航天器平台c之间的收拢，当需要在空间使用此航天器系统时，伸展机构5可实现核反应堆组件a与航天器平台c之间的伸展，伸展机构5的具体结构形式不做限定，只要能够实现伸缩功能并可以达到最小收缩体积即可；所述的辐射散热器6安装在伸展机构5上，用以将反应堆的废热排散到太空中。
27.本实施例中，如图1和图2所示，所述的核反应堆组件a包括支撑架体1以及由前至后顺次安装在支撑架体1内的反应堆组2、辐射屏蔽体3和若干个控制棒组4。
28.本实施例中，所述的支撑架体1包括依次连接的反应堆外支撑架101、反应堆内支撑架102、屏蔽体支撑架103和控制棒组支撑架104；所述的反应堆外支撑架101套在反应堆内支撑架102外，且反应堆组2安装在二者之间保持固定不动；所述的辐射屏蔽体3安装在屏蔽体支撑架103内，所述的若干个控制棒组4安装在控制棒组支撑架104内；所述的反应堆外支撑架101、反应堆内支撑架102、屏蔽体支撑架103和控制棒组支撑架104的结构形式根据需要进行调整，整体及局部具体采用何种结构以及具体的尺寸并没有特殊的限制，只要保证整体体积达到最小，方便航天器的运载即可。
29.本实施例中，如图4所示，所述的反应堆组2是由若干个较小功率量级的反应堆201以阵列的形式组装成较大功率核动力系统，即如果反应堆201的个数为三个，则以等边三角形的方式进行排列，如果反应堆201的个数为四个，则以四边形的方式进行排列；其中所述的反应堆内支撑架102为多棱柱形，且多棱柱的每个侧壁向内凹陷形成弧形面，所述的弧形面与反应堆201的外表面相契合。其具体的形状根据反应堆201的个数进行调整，即当反应堆201的个数为三个时，则反应堆内支撑架102为三棱柱形，且三棱柱的每个侧壁向内凹陷形成弧形面，所述的弧形面与反应堆201的外表面相契合；当反应堆201的个数为四个，则反应堆内支撑架102为长方体，且长方体的每个侧壁向内凹陷形成弧形面，所述的弧形面与反应堆201的外表面相契合；反应堆201在反应堆内支撑架102与反应堆外支撑架101的固定下可以保持系统的稳定性；若干个反应堆201采用以上阵列的形式进行布置用以减小反应堆组2的整体体积，满足运载火箭整流罩12尺寸包络；而且上述结构形式不仅能够提高功率等级、提高系统可靠性，又能够满足航天运载尺寸及重量包络，整体上不会对系统原有技术体系与方案产生较大影响，此外还可验证空间能源设施组装使用技术，为未来星表基地能源设施建设提供支持。
30.本实施例中，如图3所示，所述的反应堆201由圆柱形本体202、半球形上端部203和半球形下端部204共同组成，反应堆内部放置核燃料组件。
31.本实施例中，如图1和图2所示，所述反应堆组2中反应堆201的个数与控制棒组4的个数相同，每个反应堆201由一个控制棒组4进行控制，并形成独立的模块化控制系统，单个反应堆控制系统的故障不会导致整个系统完全失效，在进行必要处置后可降低功率继续运行。每个反应堆均独立设置反应性控制系统，同时在多个反应堆中部设置同步控制系统，对
多个反应堆反应性进行同步控制。
32.本实施例中，如图1和图2所示，每个控制棒组4包括一个驱动电机401和一个控制棒402；所述的驱动电机401安装在辐射屏蔽体3远离反应堆组2的一侧，控制棒402的一端连接在驱动电机401的驱动端，控制棒402的另一端穿过辐射屏蔽体3连接在反应堆201上，并用于相对应的反应堆201启动和停闭以及反应堆201功率的调节。
33.本实施例中，如图1和图2所示，所述的航天器平台c包括航天仪器设备舱7、两个太阳能电池帆板8、两个太阳翼9、若干个推进剂贮箱10和若干个推进系统11；所述的航天仪器设备舱7连接在伸展机构5的端部，所述的两个太阳能电池帆板8分别通过一个太阳翼9安装在航天仪器设备舱7的两侧，并具有聚拢与伸展功能，当需要将航天器系统装在整流罩内并运载时，太阳能电池帆板8收拢至航天仪器设备舱7的侧壁处，当需要在空间使用此航天器系统时，太阳能电池帆板8伸展开；所述的若干个推进系统11安装在航天仪器设备舱7后，用于航天器的航行，所述的若干个推进剂贮箱10安装在航天仪器设备舱7下，并为推进系统11提供能量。
34.本实施例采用成熟、较小功率空间反应堆并联布置组合构成较大功率空间核动力系统，大幅降低研发成本。据估算，通过并联布置3-4台数十千瓦空间反应堆组合构成百千瓦级空间核动力系统，将相比新研百千瓦级空间核动力系统减小发射成本数十亿元，可大幅节约成本，缩短研发周期，并且提高系统可靠性和冗余性。且该简化构型不仅能够同时提高功率等级、提高系统可靠性，又能够满足航天运载尺寸及重量包络，整体上不会对系统原有技术体系与方案产生较大影响，此外还可验证空间能源设施组装使用技术，为未来星表基地能源设施建设提供支持。
35.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：它包括核反应堆组件(a)、伸展机构(5)、航天器平台(c)和辐射散热器(6)；所述的核反应堆组件(a)与航天器平台(c)之间通过伸展机构(5)进行连接并隔离，所述的辐射散热器(6)安装在伸展机构(5)上；所述的核反应堆组件(a)包括支撑架体(1)以及由前至后顺次安装在支撑架体(1)内的反应堆组(2)、辐射屏蔽体(3)和若干个控制棒组(4)；所述的反应堆组(2)是由若干个反应堆(201)以阵列的形式组合而成，所述反应堆组(2)中反应堆(201)的个数与控制棒组(4)的个数相同，每个反应堆(201)由一个控制棒组(4)进行控制。2.根据权利要求1所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：每个控制棒组(4)包括一个驱动电机(401)和一个控制棒(402)；所述的驱动电机(401)安装在辐射屏蔽体(3)远离反应堆组(2)的一侧，控制棒(402)的一端连接在驱动电机(401)的驱动端，控制棒(402)的另一端穿过辐射屏蔽体(3)连接在反应堆(201)上。3.根据权利要求1所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：所述的支撑架体(1)包括依次连接的反应堆外支撑架(101)、反应堆内支撑架(102)、屏蔽体支撑架(103)和控制棒组支撑架(104)；所述的反应堆外支撑架(101)套在反应堆内支撑架(102)外，且反应堆组(2)安装在二者之间保持固定不动；所述的辐射屏蔽体(3)安装在屏蔽体支撑架(103)内，所述的若干个控制棒组(4)安装在控制棒组支撑架(104)内。4.根据权利要求3所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：所述的反应堆内支撑架(102)为多棱柱形，且多棱柱的每个侧壁向内凹陷形成弧形面，所述的弧形面与反应堆(201)的外表面相契合。5.根据权利要求4所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：所述反应堆(201)的个数为三个，并以等边三角形的方式进行排列，所述的反应堆内支撑架(102)为三棱柱。6.根据权利要求4所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：所述反应堆(201)的个数为四个，并以四边形的方式进行排列，所述的反应堆内支撑架(102)为长方体。7.根据权利要求1所述的采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，其特征在于：所述的航天器平台(c)包括航天仪器设备舱(7)、两个太阳能电池帆板(8)、两个太阳翼(9)、若干个推进剂贮箱(10)和若干个推进系统(11)；所述的航天仪器设备舱(7)连接在伸展机构(5)的端部，所述的两个太阳能电池帆板(8)分别通过一个太阳翼(9)安装在航天仪器设备舱(7)的两侧，并具有聚拢与伸展功能；所述的若干个推进系统(11)安装在航天仪器设备舱(7)后，所述的若干个推进剂贮箱(10)安装在航天仪器设备舱(7)下。

技术总结
采用多堆芯组合布置架构的空间核动力航天器系统，属于航天器工程技术领域。本实用新型是为了解决现有采用核能的航天器，功率较低，无法适用于的空间核能的问题。本实用新型包括核反应堆组件、伸展机构、航天器平台和辐射散热器；所述的核反应堆组件与航天器平台之间通过伸展机构进行连接并隔离，所述的辐射散热器安装在伸展机构上；所述的核反应堆组件包括支撑架体以及由前至后顺次安装在支撑架体内的反应堆组、辐射屏蔽体和若干个控制棒组；所述的反应堆组是由若干个反应堆以阵列的形式组合而成，所述反应堆组中反应堆的个数与控制棒组的个数相同，每个反应堆由一个控制棒组进行控制。本实用新型主要用于提供的空间核能。能。能。


技术研发人员：赵富龙 孟涛 谭思超 居文轩 周娅
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2022.09.23
技术公布日：2023/6/28