閉式布雷頓循環核心機調控過程仿真分析

薛 翔，杜 磊，王浩明，張銀勇，林慶國

(上海空間推進研究所 上海空間發動機工程技術研究中心，上海 201112)

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伴隨著人類太空探索的足跡不斷擴展，在越來越多的空間任務中，以化學燃料和太陽能為主的常規空間動力能源已不能完全滿足任務需求。利用核能實現空間推進的航天器具備高比沖、大推力、長壽命等特點，可以突破化學能推進的極限，同時不受制于太陽光照條件，是面向未來探索太陽系邊界等深空探測任務的重要保障。

基于閉式布雷頓循環的熱電轉換系統能夠很好地實現百千瓦至兆瓦級的空間核電推進，其循環系統主要由核心機(渦輪、壓氣機、電機)、核熱源、換熱器和冷卻器等部件構成。閉式布雷頓循環核心機的變工況調節過程中不同系統參數都會受到影響，如果調控策略制定不合理，會嚴重影響整個系統的循環效率和運行穩定性。

國外在該領域的研究起步較早，NASA從20世紀60年代就開始了空間閉式布雷頓循環的研究，研制了小功率閉式布雷頓循環核心機(Brayton rotating unit,BRU)。本世紀初美國啟動了木星冰蓋衛星軌道器(jupiter icy Moons obiters，JIMO)計劃，文獻[5]介紹俄羅斯也在2009年首次公布兆瓦級核電推進飛船總體設計方案。歐盟也開展了兆瓦級國際空間核電推進飛船(international nuclear power and propulsion system，INPPS)計劃，目前完成了兆瓦級核電推進太空飛船的總體系統設計和地面演示試驗臺搭建。這些本質上都是以閉式布雷頓循環熱電轉換為基礎的空間核電推進飛行器。國外研究者針對閉式布雷頓循環核心機主要進行了地面試驗、系統仿真和循環參數優化等研究。……