【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空间推进系统总体设计领域，具体涉及一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统。
技术介绍
1、核聚变即轻原子核结合成较重原子核，放出巨大能量，例如氘核和氚核在一定条件下(例如超高温或者超高压)可以聚变为氦核并释放出巨大能量，核聚变反应产生的能量比核裂变反应产生的能量更为巨大。
2、惯性约束型核聚变是一种可以实现的可控核聚变方式。惯性约束型核聚变通过将驱动器打在一个由氘和氚等热核燃料(后文简称为d-t燃料)组成的靶丸上，在非常短的时间内靶丸表面电离和消融，产生了包围靶丸的等离子体，当等离子体膨胀飞散时，产生了极大的向心聚爆的压力，将d-t燃料压缩到极高的密度(约为1000-10000倍固体密度)和极高的温度，点燃热核反应，并产生大量热能。因为这种靶丸内部气体进行的热核反应经历的时间非常短暂(约为几个皮秒，一皮秒相当于一万亿分之一秒)，由于靶丸燃料的惯性约束(由于粒子的惯性作用形成反作用力，约束了靶丸内部的气体)，所以在靶丸解体之前，大量的聚变反应已经产生并释放了大量能量。靶丸热核聚变释放的能量量级相当于爆炸了一颗微型氢弹所产生的能量，比真正的氢弹爆炸所产生的能量要小几百万倍，是一种可以控制的热核聚变方式。惯性约束技术中，激光约束技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束，是现有的成熟核聚变约束技术。
3、电推进技术通过将电子离子在电磁场作用下加速排出推力，相比于传统的化学能推进不再需要使用固体或液体燃料，省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等，能大幅减少航天器的燃料携带量。但
4、空间核电源是目前人类可利用的能量密度最高的空间推进能源，可有效解决太阳能电功率不足的问题。空间核反应堆功率最大可到数百甚至上千mw，电功率也可到mw量级，适用于未来大规模、远距离、大速度增量的空间任务，如载人火星探测、地－月间大型货物运输、深远空间探测等任务。
5、针对采用激光约束的惯性约束核聚变装置、电推进技术、核电推进技术，国内外均已经展开了大量的研究工作。
6、例如美国nasa在20世纪50年代已经设计出使用同位素电源的航天器，输出电功率可以达到170w，使用寿命超过43年，并且成功应用在“旅行者”1航天器中。但是同位素电源提供的电功率较小，不能满足高功率设计需求的核电推进系统；同位素作为能量来源，伴随运行时间延长，输出功率降低，难以满足长时间运行的任务要求。
7、例如俄罗斯开发的340mw核热电双模式火箭发动机。改系统的发电模式基于氦氙气体的布雷顿循环，转换功率范围广。但是这种双结构模式发动机转速很高，在空间运行中很难保持系统的稳定；该系统携带的燃料有限，难以满足长时间远距离的空间运行任务。
8、例如美国nasa设定的普罗米修斯项目开发了可以利用太空核动力系统的电力推进技术，主要集中在多任务技术和多领域技术，同时也开发了高功率高比冲栅格离子/霍尔推进器。但是高功率霍尔推进器存在占用空间过大、可装载负荷受限的问题。
9、例如我国科研人员针对激光惯性聚变开展了实验研究，并设计形成神光iii原型装置。神光iii原型实验装置可以开展黑腔物理和辐射内爆物理实验。但目前神光iii原型实验装置并没有未来的应用发展方向，缺乏需求场景来提供技术发展方向。
10、例如我国中国原子能科学研究院的高剑、解家春等人针对空间核电推进技术应用需求，在国内外研究基础上，提出了100kwe核电推进反应堆电源系统的设计理念，并从物理、屏蔽、热工以及结构方面对系统进行了分析和论证，获得了合理可行的系统方案。但是该方案采用反应堆运行系统，结构复杂，运行不灵活；该系统需要携带大量运行原料，可装载负荷受到限制。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，本专利技术系统采用核能作为动力来源，相比于传统的化学能推进具有更大的功率、比冲、推力和运行寿命，可以满足长时间远距离深空探测的动力要求。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，包括聚变反应堆1、热电转换系统2、能量管理与分配系统3、电推进系统、驱动器能量供给系统6、等离子体输运系统7、航天器其它系统5以及管路阀门，电推进系统包括电推进系统电源4-1、等离子体贮供系统4-2和推力器4-3；聚变反应堆1通过采用激光约束技术的惯性约束型核聚变产生大量能量和等离子体，产生的等离子体经过换热降低温度，在等离子输运系统7驱动下运输到等离子体贮供系统4-2中作为电推进的原料介质，聚变反应堆1产生的热能通过热电交换系统2转化为电能，进入能量分配与管理系统3，能量分配与管理系统3将一部分电能通过电推进系统电源4-1供能维持推力器4-3运行来产生推力，同时通过驱动器能量供给系统6向聚变反应堆1中的激光驱动器1-1供能，能量分配与管理系统3将另一部分电能向航天器其它系统5进行供能。
4、所述聚变反应堆1包括激光驱动器1-1、靶工厂1-2、反应室1-3和氚增殖1-4，激光驱动器1-1将激光光束通过反应室1-3提供的入射通道打向靶丸，诱发靶丸产生热核聚变反应释放大量热能并产生大量等离子体，热能输入到热电转换系统的热交换器2-1，氚增殖1-4处理反应室1-3中聚变反应生成物质使其能够作为靶丸生产原料，投入靶工厂1-2生成符合聚变反应要求的靶丸，将靶丸通过反应室的通道注入反应室1-3内部来作为热核聚变原料，换热后的等离子体进入等离子体输运系统7作为电推进的原料，激光驱动器1-1能够通过驱动器能量供给系统6持续运行产生符合条件的激光光束。
5、所述热电转换系统2采用闭式布雷顿循环发电系统，包括热交换器2-1、涡轮机2-2、发电机2-3、压气机2-4、回热器2-5、冷却器2-6和热排放系统2-7；闭式布雷顿循环发电机通过将气体工质输入热交换器2-1中并带走能量，加热后的气体工质进入涡轮机2-2膨胀做功，带动发电机2-3轴承转动并发电，膨胀做功后的气体工质依次通过回热器2-5和冷却器2-6进行冷却，冷却之后的气体工质进入压气机2-4压缩，压缩后的高压气体工质重新进入回热器2-5预热，之后再进入热交换器2-1完成整个循环；发电机2-3产生的电能进入电能分配系统3，热排放系统2-7将冷却器2-6的热量向太空辐射排放。
6、所述聚变反应堆1采用惯性约束型核聚变反应堆，惯性约束型核聚变反应堆结构紧凑，有利于提升空间电推进电源系统的最大负载并简化空间电推进电源系统的结构。
7、所述惯性约束型核聚变反应堆采用激光约束技术，使用激光驱动器1-1，能够产生聚焦良好以及能量巨大的激光光束。
8、所述热电转换系统产生电能中的一部分电能通过能量管理与分配系统3进入聚变反应堆1的激光驱动器1-1，使激光驱动器1-1持续稳定工作。
9、所述聚变反应堆1中由于聚变反应会产本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：包括聚变反应堆(1)、热电转换系统(2)、能量管理与分配系统(3)、电推进系统、驱动器能量供给系统(6)、等离子体输运系统(7)、航天器其它系统(5)以及管路阀门，电推进系统包括电推进系统电源(4-1)、等离子体贮供系统(4-2)和推力器(4-3)；聚变反应堆(1)通过采用激光约束技术的惯性约束型核聚变产生大量能量和等离子体，产生的等离子体经过换热降低温度，在等离子输运系统(7)驱动下运输到等离子体贮供系统(4-2)中作为电推进的原料介质，聚变反应堆(1)产生的热能通过热电交换系统(2)转化为电能，进入能量分配与管理系统(3)，能量分配与管理系统(3)将一部分电能通过电推进系统电源(4-1)供能维持推力器(4-3)运行来产生推力，同时通过驱动器能量供给系统(6)向聚变反应堆(1)中的激光驱动器(1-1)供能，能量分配与管理系统(3)将另一部分电能向航天器其它系统(5)进行供能。
2.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述聚变反应堆(1)包括激光驱动器(1-1)、靶工
3.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述热电转换系统(2)采用闭式布雷顿循环发电系统，包括热交换器(2-1)、涡轮机(2-2)、发电机(2-3)、压气机(2-4)、回热器(2-5)、冷却器(2-6)和热排放系统(2-7)；通过将气体工质输入热交换器(2-1)中并带走能量，加热后的气体工质进入涡轮机(2-2)膨胀做功，带动发电机(2-3)轴承转动并发电，膨胀做功后的气体工质依次通过回热器(2-5)和冷却器(2-6)进行冷却，冷却之后的气体工质进入压气机(2-4)压缩，压缩后的高压气体工质重新进入回热器(2-5)预热，之后再进入热交换器(2-1)完成整个循环；发电机(2-3)产生的电能进入电能分配系统(3)，热排放系统(2-7)将冷却器(2-6)的热量向太空辐射排放。
4.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述聚变反应堆(1)采用惯性约束型核聚变反应堆，惯性约束型核聚变反应堆结构紧凑，有利于提升空间电推进电源系统的最大负载并简化空间电推进电源系统的结构。
5.如权利要求4所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述惯性约束型核聚变反应堆采用激光约束技术，使用激光驱动器(1-1)，能够产生聚焦良好以及能量巨大的激光光束。
6.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述热电转换系统产生电能中的一部分电能通过能量管理与分配系统(3)进入聚变反应堆1的激光驱动器(1-1)，使激光驱动器(1-1)持续稳定工作。
7.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述聚变反应堆(1)中由于聚变反应会产生大量等离子体，通过等离子体输运系统(7)将等离子体中的一部分转移输入到电推进系统中用于产生推力。
...【技术特征摘要】
1.一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：包括聚变反应堆(1)、热电转换系统(2)、能量管理与分配系统(3)、电推进系统、驱动器能量供给系统(6)、等离子体输运系统(7)、航天器其它系统(5)以及管路阀门，电推进系统包括电推进系统电源(4-1)、等离子体贮供系统(4-2)和推力器(4-3)；聚变反应堆(1)通过采用激光约束技术的惯性约束型核聚变产生大量能量和等离子体，产生的等离子体经过换热降低温度，在等离子输运系统(7)驱动下运输到等离子体贮供系统(4-2)中作为电推进的原料介质，聚变反应堆(1)产生的热能通过热电交换系统(2)转化为电能，进入能量分配与管理系统(3)，能量分配与管理系统(3)将一部分电能通过电推进系统电源(4-1)供能维持推力器(4-3)运行来产生推力，同时通过驱动器能量供给系统(6)向聚变反应堆(1)中的激光驱动器(1-1)供能，能量分配与管理系统(3)将另一部分电能向航天器其它系统(5)进行供能。
2.如权利要求1所述的一种采用激光约束型核聚变的空间电推进电源系统，其特征在于：所述聚变反应堆(1)包括激光驱动器(1-1)、靶工厂(1-2)、反应室(1-3)和氚增殖(1-4)，激光驱动器(1-1)将激光光束通过反应室(1-3)提供的入射通道打向靶丸，诱发靶丸产生热核聚变反应释放大量热能并产生大量等离子体，热能输入到热电转换系统的热交换器(2-1)，氚增殖(1-4)处理反应室(1-3)中聚变反应生成物质使其能够作为靶丸生产原料，投入靶工厂(1-2)生成符合聚变反应要求的靶丸，将靶丸通过反应室的通道注入反应室(1-3)内部来作为热核聚变原料，换热后的等离子体进入等离子体输运系统(7)作为电推进的原料，激光驱动器(1-1)能够通过驱动器能量供给系统(6)持续运行产生符合条件的激光光束。
3.如权利要求1所述的一种采用...
【专利技术属性】
技术研发人员：章静，张博清，巫英伟，王明军，贺亚男，苏光辉，秋穗正，田文喜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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