核动力深空探测器现状及发展研究

深空探测中,由于无法使用太阳能或者太阳能的利用效率太低,需要使用空间核电源。当前用于月球表面、火星表面、木星及以远的飞行任务中的核动力深空探测器,均利用的同位素核源衰变能,包括同位素热源用于温度控制和采用温差发电用于供电。研究中的深空探测核动力应用包括月球基地、载人火星飞行、无人探测、使用核反应堆裂变能等。空间裂变电源的反应堆包括液态金属冷却堆和气冷堆两种方式,前者支持温差、斯特林和布雷顿发电,后者支持布雷顿和磁流体发电。近期开始探索研究核聚变深空探测器。纵观核动力深空探测器的发展历程,同位素电源依然在深空探测中发挥着重要作用,大功率空间核电源结合电推进将成为未来深空探测的重要关注方向。     

空间核动力在深空探测中的应用及发展综述

在概要介绍空间核动力发展历程的基础上,总结了同位素热/电源、核反应堆电源、核推进在深空探测领域的应用情况和相关发展情况,并讨论了空间核动力的安全问题。对未来空间核动力在深空探测中应用面临的技术问题进行了展望。     

核磁共振陀螺原子核自旋进动的建模与仿真

针对87Rb-129Xe核磁共振陀螺中原子核的自旋进动,基于核磁共振Bloch方程,给出了Xe原子核自旋进动模型,详细分析了横向激励磁场的相位和幅值对Xe原子宏观磁矩进动的影响,以及实现稳态进动的条件。建立了Xe原子宏观磁矩进动的仿真模型,对激励磁场反馈控制、陀螺角位移信号相位解调进行了仿真。分析和仿真结果表明,当载体系旋转时,陀螺角位移线性调制Xe原子宏观磁矩水平分量的进动相位,为了维持磁共振,横向激励磁场相位应与宏观磁矩y向分量的进动相位保持一致;模型能够准确地实现对陀螺载体坐标系旋转位移的观测。     

环型聚能装药侵彻靶板能力影响因素分析

采用正交设计试验方法优化环型聚能装药结构,利用ANSYS/LS-DYNA软件,对环型聚能装药侵彻靶板过程进行数值模拟,得出了药型罩开口角度、药型罩壁厚、装药高度、炸高4种因素对环形射流穿靶时间及剩余速度的影响规律。仿真结果表明,对射流穿靶时间及剩余速度影响较大的因素为药型罩开口角度,优化后的环型聚能装药结构对靶板侵彻能力显著提高。     

硝酸酯增塑高能推进剂爆炸性能研究

对我国硝酸酯增塑高能推进剂的爆炸性能、爆炸当量等进行了试验和评估。简述了共试验装置、方案、试样、试验过程及结果。结果表明：该推进剂危险性分类与美国国防部划入１．１级危险品的高能推进剂相似；ＴＮＴ当量１０ｍ之内为１．０７～１．２６，１０～５５ｍ之间约为０．８９～１．２１，也与国外相关试验值相似；另外观测到１０ｋｇ该推进剂爆炸时，距３５ｍ以外建筑物无大影响，５５ｍ外无影响。     

基于BP神经网络的核事故多核素源项反演方法

核事故发生后,为快速评估事故严重程度,需要对源项释放率进行估算。本文选取I-131,Cs-137,Xe-133和Kr-85四种核素的释放率为目标信号,利用Matlab建立基于BP神经网络的核事故四核素源项反演模型。计算结果表明,在单隐层节点数为5~60范围内,训练均方差 随节点数增加先减小后增大,在节点数为25时达到最小值41.1%。学习速率在0.01~0.2范围内时,增大学习率可减小训练均方差与各核素相对误差。对单隐层节点数为25,学习速率为0.2的训练结果进行测试,4种核素的源项估计相对误差分别为56.7%,49.1%,92.4%和92.0%。     

脉冲爆震发动机外流场数值模拟及实验

通过实验和数值方法,对脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆震外流场的时序阴影照片。对高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆震过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,其中考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理。根据计算结果,由计算光学获得爆震外流场的时序计算阴影图。数值计算结果和实验结果基本一致,均形象地描述了管外流场的变化。根据实验和数值计算结果,详细地讨论了涡环和悬吊激波产生的动力学机理及其发展变化过程。     

核动力航天器总体设计研究

研制核动力航天器是最有希望实现更远深空探测的可靠技术途径。针对目前国内在核动力航天器总体设计方面存在研制规范欠缺、研制经验空白的形势,借鉴国外研制核动力航天器的成功经验,结合现有标准规范、一般航天器总体设计方法,提出了研制核动力航天器时,对工程总体、航天器总体进行设计的要点。特别是,针对空间核动力源及其安全防护,从核动力源设计、核安全设计两个方面,提出了关注要点和解决措施。本文的研究工作可以用于指导空间核动力航天器的研发和应用。     

圆柱形空腔内气云爆炸波对壁面的作用

从非定常Ｅｕｌｅｒ方程出发，用高精度高分辨率的ＴＶＤ格式，对圆柱形空腔内的气云爆炸波对壁面作用问题进行了数值模拟。计算获得圆柱形空腔内气云爆炸场的复杂的波系结构及其演化过程、壁面任意指定点的压力时间曲线。本文还给出了同体积、不同形状的气云爆炸对壁面的作用效应。     

空间核电源电力系统功率因数校正技术的研究

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,通过采用基于空间核电源系统的功率因数校正技术来滤除和抑制由发电机产生的谐波,从而提高系统的用电效率。提出一种新型Boost PFC拓扑结构,首先分析变换器的工作原理,之后对工作在连续电流导通模式下的Boost变换器进行建模分析。通过对变换器双环控制中的电压环和电流环进行理论设计和数学推导,从而确定控制环路参数。采用PLECS仿真软件对变换器的控制策略和系统的动态响应进行验证,并实现输入电流对输入电压的零相位正弦化追踪。