面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统及航空飞行器

本发明涉及航空动力系统，更具体地说，涉及一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统及航空飞行器。

背景技术：

1、航空核动力系统是一种利用核裂变释放的巨大能量为飞行器提供动力的装置。由于核能具有能量密度大，一次装料发出的能量多等特点，该系统具备大载荷和超长续航的优势，在特定应用领域有着广泛的前景，但纯核能推进系统功率密度较低使得飞机起飞和降落变得困难。

2、电推进飞机通过电能驱动螺旋桨、涵道风扇等推进器实现飞行器的推进能力；蓄电池的功率密度较高，可以满足起飞等条件下的大功率需求；核反应堆结合闭式布雷顿循环的热电转换系统可以为飞行器提供巡航阶段的功率需求，进而实现数月的滞空时间。因此，有必要设计出一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，用于解决现有化石燃料及蓄能式航空发动机续航能力差，以及核能航空发动机重量过大、机动性差的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统以及一种航空飞行器，解决现有蓄能式航空发动机续航能力差，以及核能航空发动机机动性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，包括反应堆系统、能量转换系统、蓄电池、电力管理单元、电动机和电动螺旋桨，所述反应堆系统包括压力容器以及安装于所述压力容器内的反应堆、控制棒，所述能量转换系统包括涡轮、转轴、发电机、压气机、冷却器和回热器；所述反应堆的循环工质出口与所述涡轮的入口连通，所述涡轮的出口与所述回热器的热端入口连通，所述回热器的热端出口与所述冷却器的热端入口连通，所述冷却器的热端出口与所述压气机的入口连通，所述压气机的出口与所述回热器的冷端入口连通，所述回热器的冷端出口与所述反应堆的循环工质入口连通；所述涡轮与所述发电机之间以及所述发电机与所述压气机之间均通过各自对应的所述转轴相连接；所述发电机与所述电力管理单元的能量入口电连接，所述蓄电池与所述电力管理单元电连接，所述电力管理单元的能量出口与所述电动机电连接，所述电动机与所述电动螺旋桨连接。

4、进一步的，所述反应堆采用模块式高温气冷堆，以氦气或者氦氙混合气体作为循环工质将反应堆内部热量导出。

5、进一步的，所述涡轮包括向心式涡轮或轴流式涡轮，所述压气机包括离心式或轴流式压气机，所述涡轮、所述压气机和所述发电机三者同轴布置。

6、进一步的，所述冷却器为间壁式换热器，环境空气作为冷源对循环工质实施冷却。

7、进一步的，所述回热器采用印刷电路板式微通道换热器。

8、进一步的，所述电力管理单元包括整流器、逆变器和能量分配模块。

9、进一步的，推进系统包括以下两种工作模式：

10、当飞行器处于起飞或降落状态时，采用基于蓄电池的推进模式，控制蓄电池输出电能驱动电动机带动电动螺旋桨做功，反应堆和能量转换系统不工作；

11、当飞行器处于巡航状态时，采用基于核动力的推进模式，反应堆开机，控制能量转换系统将反应堆释放的热能转换为电能驱动电动机带动电动螺旋桨做功，同时为蓄电池充电。

12、另一方面，本发明还提供了一种航空飞行器，包括上述中的一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统。

13、相对于现有技术，本发明一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统具有以下优势：

14、1.本发明构建了一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，反应堆结合闭式布雷顿循环发电系统的电功率仅需满足巡航阶段的需求，同时蓄电池仅工作在爬升和降落阶段，工作时间较短，因此反应堆和蓄电池都可以设计得较小。

15、2.本发明构建了一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，基于蓄电池的电推进系统的响应较快，飞行过程中能够实现两种工作模式的平稳过渡。

技术特征：

1.一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，包括反应堆系统、能量转换系统(4)、蓄电池(11)、电力管理单元(12)、电动机(13)和电动螺旋桨(14)，所述反应堆系统包括压力容器(1)以及安装于所述压力容器(1)内的反应堆(2)、控制棒(3)，所述能量转换系统(4)包括涡轮(5)、转轴(6)、发电机(7)、压气机(8)、冷却器(9)和回热器(10)；所述反应堆(2)的循环工质出口与所述涡轮(5)的入口连通，所述涡轮(5)的出口与所述回热器(10)的热端入口连通，所述回热器(10)的热端出口与所述冷却器(9)的热端入口连通，所述冷却器(9)的热端出口与所述压气机(8)的入口连通，所述压气机(8)的出口与所述回热器(10)的冷端入口连通，所述回热器(10)的冷端出口与所述反应堆(2)的循环工质入口连通；所述涡轮(5)与所述发电机(7)之间以及所述发电机(7)与所述压气机(8)之间均通过各自对应的所述转轴(6)相连接；所述发电机(13)与所述电力管理单元(12)的能量入口电连接，所述蓄电池(11)与所述电力管理单元(12)电连接，所述电力管理单元(12)的能量出口与所述电动机(13)电连接，所述电动机(13)与所述电动螺旋桨(14)连接。

2.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，所述反应堆(2)采用模块式高温气冷堆，以氦气或者氦氙混合气体作为循环工质将反应堆内部热量导出。

3.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，所述涡轮(5)包括向心式涡轮或轴流式涡轮，所述压气机(8)包括离心式或轴流式压气机，所述涡轮(5)、所述压气机(8)和所述发电机(7)三者同轴布置。

4.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，所述冷却器(9)为间壁式换热器，环境空气作为冷源对循环工质实施冷却。

5.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，所述回热器(10)采用印刷电路板式微通道换热器。

6.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，所述电力管理单元(12)包括整流器、逆变器和能量分配模块。

7.根据权利要求1所述的面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统，其特征在于，推进系统包括以下两种工作模式：

8.一种航空飞行器，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统。

技术总结本发明涉及航空动力系统技术领域，公开了一种面向长航时飞行器的核动力航空电推进系统及航空飞行器。该核动力航空电推进系统解决了传统化石燃料及蓄能式航空发动机续航能力差，以及核能航空发动机重量过大的问题。系统包括反应堆系统、能量转换系统、蓄电池、电力管理单元、电动机和电动螺旋桨，其中反应堆系统包括压力容器、反应堆和控制棒，能量转换系统包括涡轮、转轴、发电机、压气机、冷却器和回热器。本发明综合利用了蓄电池高功率密度和反应堆结合闭式布雷顿循环发电装置高能量密度的优势，使得飞行器拥有更长的续航时间，同时动力系统不至于过重。技术研发人员：程昆林,李嘉辉,秦江,王聪受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18