近年來,空間核能的利用越來越成為航天設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn),核熱推進(jìn)因其推力大、比沖高相比于電推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)更具發(fā)展優(yōu)勢;而布雷頓熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)因效率高、體積小在空間電力儲備中優(yōu)點(diǎn)突出,因此,將推進(jìn)技術(shù)和電源技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展空間核熱電雙模式系統(tǒng)對于深空探測更具發(fā)展意義。我國對集推進(jìn)和發(fā)電于一體的雙模式系統(tǒng)的研究和開發(fā)還處于初級階段,因此,本文主要對研究還不深入、技術(shù)相對欠缺的空間核熱電雙模式系統(tǒng)進(jìn)行概念性設(shè)計(jì)和研究。建立基于布雷頓循環(huán)的空間核熱電雙模式系統(tǒng)的數(shù)理模型,并對系統(tǒng)的推進(jìn)模塊和發(fā)電模塊進(jìn)行計(jì)算和性能分析,對多目標(biāo)優(yōu)化所得最優(yōu)工況下的雙模式系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量預(yù)估。為確定系統(tǒng)滿足火星探測基本動力需求,對推進(jìn)模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,探討堆芯及燃料選型,選取關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、確定基本動力結(jié)構(gòu),通過設(shè)計(jì)計(jì)算,得到推力106.2k N,比沖912s,三臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)使用滿足火星探測基本動力需求。對發(fā)電模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)建模及工質(zhì)選擇,重點(diǎn)對比8MPa、10MPa和15MPa下超臨界二氧化碳物性,并基于REFPROP數(shù)據(jù)庫對以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的再壓縮布雷頓熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算,將結(jié)果與試驗(yàn)對比驗(yàn)證模擬的可行性。... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率和循環(huán)實(shí)現(xiàn)方式對比圖[12]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-圖1-2蒸汽朗肯循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)、S-CO2布雷頓循環(huán)關(guān)系圖[12]圖1-2展示了蒸汽朗肯循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)以及S-CO2布雷頓循環(huán)三者的對比關(guān)系[12]。從圖1-1和圖1-2可知，蒸汽朗肯循環(huán)可以在低的渦輪進(jìn)口溫度條件下實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，這是因?yàn)楣ぷ饕后w在液態(tài)下耗費(fèi)的壓縮功較少，相比之下，燃?xì)廨啓C(jī)壓縮氣體工質(zhì)，耗功大，因此熱電轉(zhuǎn)換效率不及蒸汽朗肯循環(huán)。而S-CO2布雷頓循環(huán)結(jié)合了二者的優(yōu)勢，工質(zhì)在超臨界點(diǎn)的特性減少了壓縮功，同時(shí)其腐蝕性比蒸汽朗肯循環(huán)低，就可以允許更高的渦輪進(jìn)口溫度，更重要的是其具有緊湊的渦輪機(jī)械結(jié)構(gòu)，CO2的臨界壓力比較高，系統(tǒng)在超臨界狀態(tài)下運(yùn)行使工質(zhì)能保持高密度狀態(tài)，因此渦輪機(jī)械體積比蒸汽朗肯循環(huán)小得多，約是蒸汽朗肯循環(huán)的十分之一，且S-CO2循環(huán)的壓比比蒸汽朗肯循環(huán)小得多，透平出口溫度相對來說更高，因此需要回收大量的廢熱來提高熱效率，而再壓縮結(jié)構(gòu)則能完美的解決這一問題，循環(huán)的T-s圖如圖1-3所示。就目前的研究結(jié)論可知，核熱推進(jìn)相對于傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)更具有發(fā)展優(yōu)勢，而雙模式核熱推進(jìn)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步解決了設(shè)備用電問題，充分利用反應(yīng)堆余熱進(jìn)行發(fā)電，更加滿足未來航天活動對能量利用效率的要求，且S-CO2布雷頓熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有各方面的優(yōu)勢，適合應(yīng)用于空間設(shè)備，故提出基于S-CO2布雷頓熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)的核熱電雙模式系統(tǒng)的研究，既能實(shí)現(xiàn)航天航空設(shè)備推進(jìn)系統(tǒng)更高的比沖和更大的推力，又能搭載S-CO2布雷頓熱電轉(zhuǎn)換模塊在較高熱電轉(zhuǎn)換效率下實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)體積和質(zhì)量的最小化，且火星大氣成分中大部分是CO2，選擇S-CO2作為發(fā)電循環(huán)的工質(zhì)，針對火星探測來說可以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)補(bǔ)給。本文在國內(nèi)外對于此類核熱電雙模式系統(tǒng)研究還不是很全面的基礎(chǔ)上，對基于S-CO2布雷頓熱

再壓縮布雷頓循環(huán)T-s圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]新型空間雙模式核熱推進(jìn)系統(tǒng)熱力學(xué)性能研究[J]. 李強(qiáng),李家文,王戈,屈兀波.  火箭推進(jìn). 2018(06)
[2]氦-氙混合氣體物性對布雷頓循環(huán)影響分析[J]. 楊謝,石磊.  原子能科學(xué)技術(shù). 2018(08)
[3]熱管冷卻雙模式空間堆的初步概念[J]. 李華琪,楊寧,田曉艷,江新標(biāo),陳立新,胡攀.  現(xiàn)代應(yīng)用物理. 2017(04)
[4]核熱推進(jìn)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 徐友濤.  國際太空. 2017(09)
[5]超臨界CO2及其混合工質(zhì)布雷頓循環(huán)熱力學(xué)分析[J]. 郭嘉琪,王坤,朱含慧,何雅玲.  工程熱物理學(xué)報(bào). 2017(04)
[6]超臨界CO2部分預(yù)冷循環(huán)特性分析及優(yōu)化研究[J]. 黃雯婷,趙航,鄧清華,豐鎮(zhèn)平.  工程熱物理學(xué)報(bào). 2016(02)
[7]載人核熱火箭登陸火星方案研究[J]. 洪剛,婁振,鄭孟偉,王建明.  載人航天. 2015(06)
[8]應(yīng)用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)[J]. 張振興,武林林.  硅谷. 2014(10)
[9]核熱推進(jìn)堆芯方案的發(fā)展[J]. 解家春,趙守智.  原子能科學(xué)技術(shù). 2012(S2)
[10]超臨界二氧化碳在核反應(yīng)堆系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 黃彥平,王俊峰.  核動力工程. 2012(03)

碩士論文
[1]空間核能系統(tǒng)布雷頓循環(huán)性能評估及優(yōu)化[D]. 張秀.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法及其應(yīng)用研究[D]. 吳柏林.電子科技大學(xué) 2019
[3]核熱火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)方案研究[D]. 劉忠恕.中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院 2017
[4]多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的改進(jìn)及應(yīng)用研究[D]. 伍思敏.江南大學(xué) 2013



本文編號：3303784