ядерная энергодвигательная установка космического аппарата

Формула изобретения

1. Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата (КА), содержащая нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор, холодильник, рекуператор, систему трубопроводов с газообразным рабочим телом (ГРТ), соосные турбину-компрессор-электрогенератор (ТКГ), электроракетные двигатели (ЭРД), систему автоматического управления (САУ) с средствами измерения и контроля, отличающаяся тем, что количество контуров ТКГ с равной электрической мощностью кратно двум с противоположным направлением вращения роторов ТКГ в каждой паре, при этом система трубопроводов соединяет выход нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора с входом каждой турбины, выход турбины с входом тракта нагретого ГРТ своего рекуператора, выход тракта нагретого ГРТ рекуператора с входом своего холодильника, выход холодильника с входом своего компрессора, выход компрессора с входом тракта холодного ГРТ своего рекуператора, выход тракта холодного ГРТ каждого рекуператора с входом нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора, установка снабжена устройством изменения давления ГРТ и системой преобразования и распределения электрической энергии (СПРЭЭ), где каждый электрогенератор подключен через коммутатор САУ к каждому ЭРД своей группы и равной ей по электрической мощности балластной нагрузке, собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе, в которой одна секция разделена на равные элементы и на один единичный элемент подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности, при этом СПРЭЭ снабжена устройствами обеспечения запуска каждого электрогенератора в режиме электродвигателя от внешнего источника электроэнергии КА, а коммутатор САУ снабжен электронными ключами последовательного одновременного включения не менее чем по два ЭРД, попарно оппозитно расположенных относительно оси направления полета КА, и электронными ключами включения полезной нагрузки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе каждого компрессора установлена задвижка ГРТ.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход каждого компрессора через непрерывно от САУ автономно регулируемый перепускной клапан соединен с выходом турбины.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход каждого компрессора через дроссель соединен через вспомогательный холодильник с входным патрубком электрогенератора и через выходной патрубок электрогенератора соединен с входом холодильника.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выход каждого компрессора через дроссель соединен через вспомогательный холодильник с входным патрубком электрогенератора и далее вдоль ротора ТКГ с входом компрессора.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система трубопроводов снабжена многослойными теплоизолирующими элементами, расположенными как внутри, так и снаружи секций трубопроводов.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство изменения давления ГРТ содержит емкость с запасом ГРТ, перепускной клапан подачи ГРТ в систему трубопроводов и насос-компрессор перекачки ГРТ из системы трубопроводов в емкость, датчики контроля давления.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что к емкости с запасом ГРТ подключена система приготовления ГРТ, содержащая баллоны с несколькими газами, клапаны перепуска, смеситель и управляющий газоанализатор состава ГРТ.

9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый холодильник выполнен двухкамерным с трактом жидкого рабочего тела, входы и выходы которого соединены с холодильником-излучателем и перекачивающим насосом.

10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что холодильники-излучатели объединены по тракту жидкого рабочего тела в общий блок, который имеет входы и выходы к каждому холодильнику.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что холодильник-излучатель выполнен секционированным и к каждой секции подключены контуры охлаждения установки, работающие при различных значениях температуры.

12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что часть секций холодильника-излучателя снабжена генератором капель и заборником свободно летящего капельного потока жидкого рабочего тела.

13. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор снабжен секционированной радиационной защитой, блоки которой распределены по зонам уровней допустимого облучения элементов конструкции и электронных компонентов установки и КА.

14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электрогенераторы имеют по несколько независимых обмоток с разным уровнем напряжения.

15. Установка по п.1, отличающаяся тем, что СПРЭЭ выполнена в виде нескольких электрических цепей, не имеющих гальванической связи между собой, подключенных каждая к своему электрогенератору и снабженных преобразовательными устройствами полного набора напряжений и мощностей для электропитания потребителей.

16. Установка по п.1, отличающаяся тем, что коммутатор САУ снабжен электронными ключами объединения по постоянному току электрической мощности нескольких электрогенераторов на питание полезной нагрузки КА.

17. Установка по п.1, отличающаяся тем, что коммутатор САУ снабжен электронными ключами последовательного одновременного включения по четыре ЭРД, симметрично крестообразно расположенных относительно оси направления полета КА.

18. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на всю балластную нагрузку каждого электрогенератора подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности.

19. Установка по п.1, отличающаяся тем, что САУ содержит блок поддержания заданной частоты вращения роторов ТКГ, связанный с перепускным клапаном и единичным элементом балластной нагрузки каждого ТКГ, блок увеличения/уменьшения полезной мощности установки, связанный с устройством изменения давления ГРТ и устройством изменения тепловой мощности нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора, блок управления электронными ключами синхронного включения ЭРД/выключения секции балластной нагрузки и, соответственно, выключения ЭРД/включения секции балластной нагрузки и блок управления электронными ключами синхронного включения полезной нагрузки/выключения секций балластной нагрузки и, соответственно, выключения полезной нагрузки/включения секций балластной нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике и может быть использовано при создании энергетических, двигательных и энергодвигательных установок для решения задач, связанных с доставкой космических аппаратов (КА) на орбиту функционирования и последующим длительным энергообеспечением аппаратуры КА, а также обеспечением оптимальных ускоренных экспедиций к дальним планетам и в дальний космос.

Известны ядерные энергодвигательные установки (Ю.Г. Демянко, Г.В. Конюхов, А.С. Коротеев и др. Ядерные ракетные двигатели, ООО «Норма-Информ», Москва, 2001 г., стр.163-168), содержащие ядерный реактор с системой хранения и подачи рабочего тела, сопло и систему машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, в которых реализуются двигательный и энергетический режимы работы: тяга в режиме ядерного ракетного двигателя и электрическая мощность в энергетическом режиме для питания бортовой аппаратуры КА, вырабатываемая в замкнутом контуре системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую. Потери рабочего тела через сопло делают установку неэффективной.

Известны наземные ядерные энергоустановки с системами машинного преобразования тепловой энергии в электрическую (RU № 2447524 от 10.10.2008 г. и RU № 2122248 от 29.08.1995 г.), что не позволяет их использовать для целей ракетно-космической техники (РКТ).

Известна ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ), разработанная для РКТ (RU № 2276814 от 27.06.2005 г.), содержащая ядерный реактор, замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, систему управления, электрогенератор с приводом от турбины и компрессора (турбонасосный агрегат), контур электрического ракетного двигателя с своей системой хранения и подачи двигательного рабочего тела. Замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии в электрическую, кроме нагревателя (ядерного газоохлаждаемого реактора), турбины, компрессора и электрогенератора еще содержит холодильник и рекуператор, чтобы использовать в своей работе турбогенераторный термодинамический цикл, называемый иногда циклом Брайтона (см. например А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов - Энергетические системы космических аппаратов, М, Машиностроение, 1972, стр.282-286). Единичные электроракетные двигатели имеют ограничения по мощности. Однако современная РКТ требует использования больших мощностей, чтобы на КА иметь требуемый уровень тяги и удельного импульса. С ростом мощности возрастает неустойчивость КА, гироскопический момент агрегатов требует компенсации, на что дополнительно затрачиваются энергоресурсы и двигательное рабочее тело. Единичные мощные агрегаты понижают вероятность безотказной работы и снижают общую надежность ЯЭДУ в целом.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение эффективности и надежности функционирования ЯЭДУ КА, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности в космосе (на орбитах, при перелетах между орбитами и в дальнем космосе).

Указанный технический результат достигается тем, что ЯЭДУ КА, содержащая нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор, холодильник, рекуператор, систему трубопроводов с газообразным рабочим телом (ГРТ), соосные турбину-компрессор-электрогенератор (ТКГ), электроракетные двигатели (ЭРД), систему автоматического управления (САУ) с средствами измерения и контроля, отличается тем, что количество контуров ТКГ с равной электрической мощностью кратно двум с противоположным направлением вращения роторов ТКГ в каждой паре, при этом система трубопроводов соединяет выход нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора с входом каждой турбины, выход турбины с входом тракта нагретого ГРТ своего рекуператора, выход тракта нагретого ГРТ рекуператора с входом своего холодильника, выход холодильника с входом своего компрессора, выход компрессора с входом тракта холодного ГРТ своего рекуператора, выход тракта холодного ГРТ каждого рекуператора с входом нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора, установка снабжена устройством изменения давления ГРТ и системой преобразования и распределения электрической энергии (СПРЭЭ), где каждый электрогенератор подключен через коммутатор САУ к каждому ЭРД своей группы и равной ей по электрической мощности балластной нагрузке, собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе, в которой одна секция разделена на равные элементы и на один единичный элемент подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности, при этом СПРЭЭ снабжена устройствами обеспечения запуска каждого электрогенератора в режиме электродвигателя от внешнего источника электроэнергии КА, а коммутатор САУ снабжен электронными ключами последовательного одновременного включения не менее чем по два ЭРД, попарно оппозитно расположенных относительно оси направления полета КА, и электронными ключами включения полезной нагрузки.

Образованная таким образом замкнутая система трубопроводов позволяет при одном нагревателе иметь целый набор турбомашинных преобразователей ТКГ, вырабатывающих электроэнергию. Количество контуров ТКГ с равной электрической мощностью кратно двум с противоположным направлением вращения роторов ТКГ в каждой паре, поэтому независимо от количества ТКГ в ЯЭДУ суммарный гироскопический эффект равен нулю и не требует компенсации с дополнительной затратой энергоресурсов и двигательного рабочего тела в системе ориентации ЯЭДУ КА, что повышает эффективность функционирования ЯЭДУ. При разработке и доводке конструкции контура ТКГ равной электрической мощности облегчается отработка конструкции и значительно повышается надежность функционирования ЯЭДУ в целом.

Электрическая мощность ЯЭДУ определяется тепловой мощностью нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора. Ядерный реактор функционирует при определенной рабочей температуре, оптимальной для его конструктивных элементов, ТКГ функционирует при определенной частоте вращения ротора турбины и компрессора, оптимальной для термодинамического цикла преобразования энергии в конкретной конструкции. Для регулирования электрической мощности ЯЭДУ необходимо регулировать тепловую мощность нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора и ТКГ. При постоянстве названных выше оптимальных параметров мощность ТКГ можно регулировать, изменяя массовый расход ГРТ в замкнутом контуре. ЯЭДУ снабжена устройством изменения давления ГРТ, которое соответствующим образом регулирует массовый расход ГРТ через ядерный реактор и ТКГ (при увеличении мощности увеличивает давление ГРТ, при уменьшении мощности уменьшает давление ГРТ). Работа агрегатов при постоянных оптимальных параметрах значительно повышает надежность функционирования ЯЭДУ, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности.

ЯЭДУ снабжена системой преобразования и распределения энергетической энергии (СПРЭЭ), где каждый электрогенератор подключен через коммутатор САУ к каждому ЭРД своей группы. При этом, поскольку мощность нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора регулируется плавно, а мощность каждого ЭРД фиксирована, то для сохранения постоянства оптимальных параметров нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора и ТКГ каждый электрогенератор через коммутатор САУ подключен к балластной нагрузке, равной по электрической мощности своей группе ЭРД, собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе, в которой одна секция разделена на равные элементы и на один единичный элемент подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности. По команде САУ нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор своей комплексной системой управления и защиты (КСУЗ) увеличивает плавно тепловую мощность, устройство изменения давления ГРТ «выносит» эту мощность из реактора в ТКГ, а электрогенератор через коммутатор САУ сбрасывает дополнительную электрическую мощность на единичный элемент, на который подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности. При достижении полной мощности единичного элемента коммутатор САУ выключает его, одновременно включая равный ему элемент. Цикл повторяется столько раз, сколько равных элементов в секции балластной нагрузки. Затем коммутатор САУ выключает секцию с равными элементами, одновременно включая равную секцию балластной нагрузки или один ЭРД из данной группы каждого электрогенератора. Обсужденные отличительные особенности позволяют реализовать любую циклограмму включения/выключения ЯЭДУ на свои потребители электроэнергии, при этом соблюдается плавное изменение тепловой мощности нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора и соответствующей электрической мощности ТКГ, сохраняется постоянство их оптимальных параметров. Как отмечалось ранее, работа агрегатов ЯЭДУ при постоянных оптимальных параметрах значительно повышает надежность функционирования ЯЭДУ, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности.

Группы ЭРД располагаются на ферме ЯЭДУ на равном расстоянии от продольной оси, и включение ЭРД по одному вызывает возникновение разворачивающего момента, который требует своей компенсации с дополнительной затратой энергоресурсов и двигательного рабочего тела в системе ориентации ЯЭДУ КА. Снабжение коммутатора САУ электронными ключами последовательного одновременного включения не менее чем по два ЭРД, попарно оппозитно расположенных относительно оси направления полета КА, приводит к тому, что суммарный разворачивающий момент равен нулю и не требует своей компенсации, что также повышает эффективность функционирования ЯЭДУ. Кроме того, коммутатор САУ снабжен электронными ключами включения полезной нагрузки.

Для начального запуска ЯЭДУ СПРЭЭ снабжена устройствами обеспечения запуска каждого электрогенератора в режиме электродвигателя от внешнего источника электроэнергии КА (аккумуляторные и солнечные батареи). Инвертор с переменной частотой раскручивает ротор ТКГ до частоты, при которой при начальных значениях температуры разогрева нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора и давления ГРТ в системе трубопроводов мощность турбины превысит мощность, затрачиваемую компрессором, на значение мощности холостого хода ТКГ.

Совокупность обсужденных выше отличительных признаков обеспечивает получение заявленного технического результата - повышения эффективности и надежности функционирования ЯЭДУ КА, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности.

Кроме того, для повышения эффективности и надежности функционирования ЯЭДУ КА могут быть предусмотрены следующие особенности выполнения конструкции.

На входе каждого компрессора установлена задвижка ГРТ для перекрывания канала трубопровода при неработающем ТКГ или вышедшем из строя. Выход каждого компрессора через непрерывно от САУ автономно регулируемый перепускной клапан соединен с выходом турбины. Воздействуя на перепускной клапан, САУ поддерживает постоянство оптимального значения частоты вращения ротора ТКГ.

Выход каждого компрессора через дроссель соединен через вспомогательный холодильник с входным патрубком электрогенератора и далее через выходной патрубок электрогенератора соединен с входом холодильника или вдоль ротора ТКГ - с входом компрессора. Давление ГРТ наибольшее после компрессора, часть ГРТ направляется для охлаждения статорных обмоток электрогенератора и постоянной замены газовой среды между ротором и статором, нагревающейся из-за потерь на трение.

Система трубопроводов снабжена многослойными теплоизолирующими элементами, расположенными как внутри, так и снаружи секций трубопроводов. Теплоизоляция служит для предохранения конструктивных несущих элементов от воздействия высокой температуры и для уменьшения тепловых потерь излучением в космическое пространство.

Устройство изменения давления ГРТ содержит емкость с запасом ГРТ, перепускной клапан подачи ГРТ в систему трубопроводов и насос-компрессор перекачки ГРТ из системы трубопроводов в емкость, датчики контроля давления. Если ГРТ представляет собой смесь газов, то к емкости с запасом ГРТ подключается система приготовления ГРТ, содержащая баллоны с несколькими газами, клапаны перепуска, смеситель и управляющий газоанализатор состава ГРТ.

Каждый холодильник выполнен двухкамерным с трактом жидкого рабочего тела, входы и выходы которого соединены с холодильником-излучателем и перекачивающим насосом. При увеличении мощности ЯЭДУ для сброса низкопотенциального тепла излучением требуются все большие поверхности, которые легче организовать на отдельных холодильниках-излучателях, не создавая дополнительного сопротивления в тракте ГРТ. Холодильники-излучатели объединяются по тракту жидкого рабочего тела в общий блок, который имеет входы и выходы к каждому холодильнику. Холодильник-излучатель может быть выполнен секционированным и к каждой секции подключены контуры охлаждения установки, работающие при различных значениях температуры. Часть секций холодильника-излучателя может быть снабжена генератором капель и заборником свободно летящего капельного потока жидкого рабочего тела. Организация сброса низкопотенциального тепла в термодинамическом цикле работы ЯЭДУ прямым образом влияет на его эффективность и К.П.Д.

Нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор с целью экономии массы снабжен секционированной радиационной защитой, блоки которой распределены по зонам уровней допустимого облучения элементов конструкции и электронных компонентов установки и КА.

СПРЭЭ выполнена в виде нескольких электрических цепей, не имеющих гальванической связи между собой, подключенных каждая к своему электрогенератору и снабженных преобразовательными устройствами полного набора напряжений и мощностей для электропитания потребителей. Электрогенератор, имея ротор с постоянными магнитами, генерирует трехфазный переменный ток высокой частоты, который далее преобразуется и распределяется по потребителям. При этом электрогенератор, в некоторых случаях схемной оптимизации по массе, может иметь несколько независимых обмоток с разным уровнем напряжения.

Коммутатор САУ снабжен электронными ключами объединения по постоянному току электрической мощности нескольких электрогенераторов на питание полезной нагрузки КА. Коммутация по переменному току вызвала бы дополнительную проблему их синхронизации по частоте.

В случае четырех электрогенераторов и более коммутатор САУ снабжается электронными ключами последовательного одновременного включения по четыре ЭРД, симметрично крестообразно расположенных относительно оси направления полета КА. Поскольку контур ГРТ общий, то набор мощности в четырех ТКГ и переброс ее на четыре ЭРД представляет более симметричный энергетический процесс, и, кроме того, выбор ЭРД, специально пространственно расположенных, повышает эффективность функционирования ЯЭДУ, так как не вызывает нескомпенсированных разворачивающих моментов.

При оптимизации схемных решений ЯЭДУ и при дальнейшем развитии электронной компонентной базы на всю балластную нагрузку каждого электрогенератора может быть подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электронной мощности.

САУ содержит блок поддержания заданной частоты вращения роторов ТКГ, связанный с перепускным клапаном и единичным элементом балластной нагрузки каждого ТКГ, блок увеличения/уменьшения полезной мощности установки, связанный с устройством изменения давления ГРТ и устройством изменения тепловой мощности нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора, блок управления электронными ключами синхронного включения ЭРД/выключения секции балластной нагрузки и, соответственно, выключения ЭРД/включения секции балластной нагрузки и блок управления электронными ключами синхронного включения полезной нагрузки/выключения секций балластной нагрузки и, соответственно, выключения полезной нагрузки/включения секций балластной нагрузки. Все эти блоки управляют устройствами, упомянутыми ранее и обеспечивающими сохранение постоянства значений оптимальных параметров ЯЭДУ: температуры разогрева нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора и частоты вращения роторов ТКГ.

Таким образом, совокупность отличительных признаков обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышает эффективность и надежность функционирования ЯЭДУ КА, в том числе при больших назначенных ресурсах жизнедеятельности.

Изобретение представлено 2 схемами. На фиг.1 представлена пневмогидравлическая схема, на фиг.2 - электрическая структурная схема ЯЭДУ КА.

Турбина 1, компрессор 2 и электрогенератор 3 расположены соосно (фиг.1). Система трубопроводов соединяет нагреватель - газоохлаждаемый реактор 4 с входом каждой турбины 1, выход турбины 1 с входом тракта нагретого ГРТ своего рекуператора 5, выход тракта нагретого ГРТ рекуператора 5 с входом своего холодильника 6, выход холодильника 6 с входом своего компрессора 2, выход компрессора 2 с входом тракта холодного ГРТ своего рекуператор 5, выход тракта холодного ГРТ каждого рекуператора 5 с входом нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4. На входе компрессора 2 установлена задвижка 7. Между входом компрессора 2 и выходом своей турбины 1 установлен перепускной клапан 8. Выход компрессора 2 также соединен через дроссель 9 и вспомогательный холодильник 10 с входным патрубком электрогенератора 3, выходной патрубок которого соединен с входом своего холодильника 6. Система трубопроводов снабжена устройством 11 изменения давления ГРТ.

Электрогенератор 3 подключен (фиг.2) к системе преобразования и распределения электроэнергии 12, вырабатывающей необходимый набор напряжений и мощностей, и далее через коммутатор 13 подключен к каждому ЭРД своей группы 14 и равной ей по электрической мощности балластной нагрузке 15, собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе 14, в которой одна секция разделена на равные элементы и на один единичный элемент 16 подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности. Коммутатор 13 снабжен также электронными ключами включения полезной нагрузки 17. Для включения ЯЭДУ система 12 снабжена устройствами обеспечения запуска 18 каждого электрогенератора 3 в режиме электродвигателя от внешнего источника электроэнергии КА.

Установка работает следующим образом. После выведения ЯЭДУ на опорную орбиту производят раскрытие ферм ЯЭДУ с выдвижением ядерного реактора 4 с турбомашинными преобразователями далеко вперед. СПРЭЭ 12 расположена вдоль фермы и на другом конце ее, где также размещены коммутатор 13 САУ, ЭРД 14, балластная нагрузка 15, полезная нагрузка 17 устройства обеспечения запуска 18, приборно-агрегатный отсек САУ.

В ЯЭДУ КА реализуется газотурбогенераторный термодинамический цикл (называемый иногда циклом Брайтона), который состоит из двух изобар, соответствующих процессам нагрева и охлаждения, и, в идеальном случае, двух изоэнтроп, соответствующих процессам сжатия и расширения. Для этого в состав ЯЭДУ введены нагреватель 4 и холодильник 6 ГРТ, турбина 1 и компрессор 2. Полезная мощность равна разности работы расширения ГРТ в турбине 1 и работы сжатия в компрессоре 2 при постоянном расходе ГРТ (циркулировании) в системе трубопроводов с учетом разных температур ГРТ перед турбиной 1 и компрессором 2 вследствие, соответственно, нагрева в нагревателе 4 и охлаждения в холодильнике 6. Рекуператор 5 позволяет повысить общий КПД преобразования. Варьируя род газа и состав ГРТ, его расход (циркулирование по контуру), отношение температур нагрева в нагревателе 4 и охлаждения в холодильнике 6 ГРТ в контуре, степени расширения в турбине 1 и сжатия в компрессоре 2 ГРТ в контуре, рассчитывается требуемая полезная мощность установки для номинального стационарного режима работы.

Нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор 4 через КСУЗ разогревают до начальной температуры, система трубопроводов уже заполнена ГРТ с начальным давлением, разогревают, по необходимости, отдельные элементы пневмогидравлической схемы (ПГС) установки и начинают раскручивать электрогенераторы 3 в режиме электродвигателя от устройств обеспечения запуска 18. Электроэнергия берется из аккумуляторной и солнечной батарей КА. Инвертор с переменной частотой увеличивает частоту вращения роторов электрогенераторов-электродвигателей 3, при этом увеличивается скорость циркулирования ГРТ по контуру и растет секундный расход ГРТ. Начиная с некоторого момента происходит самоподхват контура, т.е. появляется избыточная мощность турбины 1, превышающая затраты на сжатие ГРТ в компрессоре 2, трение и тепловые потери в контуре ТКГ. При этом устройство обеспечения запуска 18 отключается. Установка выходит на некоторую электрическую мощность, которая далее САУ увеличивается до мощности холостого хода. При этом температура разогрева нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4 и частота вращения роторов ТКГ 1-2-3 доводятся до оптимальных заданных значений.

Для включения двигательной установки, состоящей из некоторого количества ЭРД, проводят следующую процедуру. По команде САУ КСУЗ увеличивает тепловую мощность нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4 и устройство 11 изменения давления ГРТ увеличивает давление ГРТ в системе трубопроводов, сохраняя температуру ГРТ на выходе из нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4 постоянной и равной оптимальному значению. Увеличивающаяся мощность на электрогенераторе 3 принимается единичным элементом 16, на который подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности. При достижении полной мощности единичного элемента 16 коммутатор САУ 13 выключает его, одновременно включая равный ему элемент в данной секции балластной нагрузки 15. Цикл повторяется столько раз, сколько равных элементов содержится в данной секции балластной нагрузки 15. Затем коммутатор САУ 13 выключает секцию с равными элементами, одновременно включая другую равную секцию балластной нагрузки 15 или один ЭРД 14 из данной группы каждого электрогенератора 3. Можно набрать электрическую мощность на нескольких равных секциях балластной нагрузки, соответствующих в сумме мощности потребителей полезной нагрузки 17, и синхронно включить ее, выключив нагруженные равные секции балластной нагрузки 15. Можно набрать полную мощность на все равные секции балластной нагрузки и задействовать затем все ЭРД 14 данной группы каждого электрогенератора 3. Логика коммутатора САУ 13 позволяет одновременно включать не менее чем по два ЭРД 14, попарно оппозитно расположенных на ферме ЯЭДУ относительно оси направления полета КА, обычно совпадающей с продольной осью X установки и КА.

Переход к холостому ходу происходит в обратной последовательности описанных выше циклов. КСУЗ уменьшает тепловую мощность нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4, устройство 11 изменения давления ГРТ откачивает насосом-компрессором часть ГРТ, сохраняя температуру ГРТ на выходе из нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4 постоянной и равной оптимальному значению, электрическая мощность с одного ЭРД 14 переброшена на равные элементы секции балластной нагрузки 15, и единичный элемент 16 плавно уменьшает принимаемую электрическую мощность под действием непрерывного от САУ автономного регулирования. Дойдя до нулевого значения мощности на единичном элементе 16 коммутатор САУ 13 отключает равный элемент в данной секции и одновременно снова включает единичный элемент 16, одновременно включенный при этом единичный элемент 16 начинает опять уменьшать принимаемую мощность. Цикл повторяется столько раз, сколько равных элементов содержится в данной секции балластной нагрузки 15. Затем коммутатор САУ 13 отключает другую равную секцию, одновременно опять включая секцию балластной нагрузки 15 с равными элементами и с единичным элементом 16. Поскольку электрическая мощность балластной нагрузки 15 равна мощности ЭРД 14 данной группы каждого электрогенератора 13, можно отключить сразу все ЭРД, перебросив мощности на все секции балластной нагрузки 15, и, повторяя описанный выше цикл, плавно перейти в режим холостого хода. Аналогично производится и отключение полезной нагрузки 17. Процесс снижения мощности ЯЭДУ более медленный, чем процесс увеличения мощности, из-за радиационной инерции ядерного реактора. Отметим, что когда работают потребители полезной нагрузки, часть ЭРД выключена так, чтобы суммарная мощность потребления не превышала номинальной мощности ЯЭДУ.

При повреждении любой ТКГ может быть выключен задвижкой 7, устраняя таким образом перетекание ГРТ. Выход каждого компрессора 2 через непрерывно от САУ автономно регулируемый перепускной клапан 8 соединен с выходом турбины 1, что необходимо для поддержания постоянства частоты вращения роторов ТКГ 1-2-3. Выход каждого компрессора 2 через дроссель 9 соединен через вспомогательный холодильник 10 с входным патрубком электрогенератора 3, далее через выходной патрубок электрогенератора 3 с входом холодильника 6 или вдоль ротора ТКГ 2-3 с входом компрессора 2 (в последнем случае при негерметизированных полостях компрессора 2 и электрогенератора 3 друг от друга). Это необходимо для охлаждения обмоток статора электрогенератора 3 и смены ГРТ между ротором и статором, нагревающегося из-за потерь на трение. Трубопроводы между турбиной 1 и нагревателем - газоохлаждаемым ядерным реактором 4 и рекуператором 5 снабжены многослойными теплоизолирующими элементами, расположенными как внутри, так и снаружи секций трубопроводов; трубопроводы между рекуператором 5 и нагревателем - газоохлаждаемым ядерным реактором 4 снабжены многослойными теплоизолирующими элементами, расположенными снаружи. Внутренняя теплоизоляция служит для предохранения конструктивных несущих элементов от воздействия высокой температуры, внешняя - для уменьшения тепловых потерь излучением в космическое пространство. Устройство 11 изменения давления ГРТ содержит емкость с запасом ГРТ, перепускной клапан подачи ГРТ в систему трубопроводов и насос-компрессор перекачки ГРТ из системы трубопроводов в емкость, датчики контроля давления. Если ГРТ представляет собой смесь газов (например, гелий с добавкой ксенона), то к емкости с запасом ГРТ подключается система приготовления ГРТ, содержащая баллоны с газами, клапаны перепуска, смеситель и управляющий газоанализатор состава ГРТ. Каждый холодильник 6 выполнен двухкамерным с трактом жидкого рабочего тела, входы и выходы которого соединены с холодильником-излучателем и перекачивающим насосом. При большой мощности ЯЭДУ для сброса низкопотенциального тепла излучением требуются большие поверхности, которые легче организовать на дополнительных холодильниках-излучателях, не создавая сопротивления в тракте ГРТ. Холодильники-излучатели объединяются по тракту жидкого рабочего тела в общий блок, который имеет входы и выходы к каждому холодильнику 6.

Холодильник-излучатель может быть выполнен секционированным, и к каждой секции подключены контуры охлаждения установки, работающие при различных значениях температуры. Часть секций холодильника-излучателя может быть снабжена генератором капель и заборником свободно летящего капельного потока жидкого рабочего тела. Нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор 4 снабжен секционированной радиационной защитой, блоки которой распределены по зонам уровней допустимого облучения элементов конструкции и электронных компонентов установки и КА. СПРЭЭ 12 выполнена в виде нескольких электрических цепей, не имеющих гальванической связи между собой, подключенных каждая к своему электрогенератору 3 и снабженных преобразовательным устройствами полного набора напряжений и мощностей для электропитания потребителей. Стандартные: напряжение постоянного тока 28,5 В и 100 В. Также высокое напряжение для ЭРД 14 и полезной нагрузки 17, например 3^х-фазное напряжение 2000 В и 1000 Гц, напряжение постоянного тока 4,5 кВ.

Электрогенератор 3, имея ротор с постоянными магнитами, при числе оборотов 60000 об/мин генерирует трехфазный ток с частотой 1000 Гц. СПРЭЭ 12 преобразует его в постоянный ток 4,5 кВ, а также в 100 В и 28,5 В. В некоторых случаях электрогенератор 3 может иметь по несколько независимых обмоток с разным уровнем напряжения. Коммутатор САУ 13 снабжен электронными ключами включения потребителей полезной нагрузки 17 с возможностью объединения по постоянному току электрической мощности нескольких электрогенераторов 3 на питание полезной нагрузки 17. Коммутация по переменному току вызвала бы дополнительную проблему синхронизации электрогенераторов 3 по частоте. В случае четырех электрогенераторов 3 и более в составе ЯЭДУ коммутатор САУ 13 снабжается электронными ключами последовательного одновременного включения по четыре ЭРД 14, симметрично крестообразно расположенных относительно оси направления полета КА. Поскольку контур ГРТ общий, то набор мощности в четырех ТКГ и переброс ее на четыре ЭРД 14 с секций балластной нагрузки 15 представляет более симметричный энергетический процесс; кроме того, выбор ЭРД 14, специально пространственно расположенных, повышает эффективность функционирования ЯЭДУ, т.к. не вызывает появления нескомпенсированных разворачивающих моментов. При соответствующем развитии электронной компонентной базы на всю балластную нагрузку 15 может быть подано непрерывное от САУ автономное регулирование принимаемой электрической мощности. САУ содержит блок поддержания заданной частоты вращения роторов ТКГ 1-2-3, связанный с перепускным клапаном 8 и единичным элементом 16 балластной нагрузки 15 каждого электрогенератора 3, блок увеличения/уменьшения полезной мощности установки, связанный с устройством 11 изменения давления ГРТ и устройством КСУЗ изменения тепловой мощности нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4, блок управления электронными ключами синхронного включения ЭРД 14/выключения секции балластной нагрузки 15 и, соответственно, выключения ЭРД 14/включения секции балластной нагрузки 15 и блок управления электронными ключами синхронного включения полезной нагрузки 17/выключения секций балластной нагрузки 15 и, соответственно, выключения полезной нагрузки 17/включения секций балластной нагрузки 15. Все эти блоки управляют устройствами, обеспечивающими изменение режимов работы ЯЭДУ с сохранением постоянства значений оптимальных параметров ЯЭДУ: температуры разогрева нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора 4 и частоты вращения роторов ТКГ 1-2-3.

В настоящий момент по данному изобретению разработана математическая модель и проводятся макетные разработки отдельных агрегатов.