一种用于长大线铁路地形航测的无人机动力装置的制作方法

本发明涉及无人机动力源技术领域，尤其是一种用于长大线铁路地形航测的无人机动力装置，特别是指超导与核动力交互式的无人机动力装置。

背景技术：

随着无人机科技发展越来越迅速，无人机也不断创新地应用在铁路航测的作业中，其往往具有自动化程度高、航测速度快，且有效操作人员工作强度的优点。

然而，传统无人机包含太阳能无人机或碳氢燃料的无人机，这类无人机载重有限，飞行速度较低，机身发电能力有限，无法为机载雷达、通讯系统提供足够的电力，若实现上空长时间、远距离且不着陆能源补充前提下进行探测非常困难；尤其是当无人机应用在长大线铁路航测时，长大线铁路线路的里程极长，无人机往往需要通过多次着陆来进行能源补给以保证其飞行动力，可这样一来，就对无人机航测时所获取的资源地形信息的分析又进一步提出了处理要求，需要保证多次断开的资源地形信息可有效并准确地拟合在一起，以保证实际情况相吻合。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种用于长大线铁路地形航测的无人机动力装置，通过结合超导与核动力交互动力的方法提供无人机动力，同时配合推进器改进飞行手段，实现无人机的长时不间断飞行，从而适应长达线铁路地形的航测需要。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于长大线铁路地形航测的无人机动力装置，其特征在于：包括核动力系统、超导发电系统以及动力推进系统，其中所述核动力系统和所述超导发电系统均与所述动力推进系统相连以供所述动力推进系统带来无人机飞行所需的动力，所述动力推进系统为推进器；所述核动力系统与所述超导发现系统之间设置有核热换热器，所述核热换热器将所述核动力系统的热能传递至所述超导发电系统的超导发电机以实现所述超导发电机的高速转动。

所述推进器为霍尔电推器，所述霍尔电推器连接所述核动力系统以及所述超导发电系统。

所述核动力系统包括核安全应急改装器，所述核安全应急改装器由铅屏蔽板、铅砂组成，其中所述铅屏蔽板贴附安装在所述核动力系统的核反应堆的舱室外表面，所述铅砂设置在所述铅屏蔽板和所述舱室外表面之间。

所述核热换热器设置在所述核动力系统的环形燃烧室内部，所述核热换热器采用与所诉环形燃烧室相耦合的多环结构。

所述超导发电系统包括超导发电机、热能存储器，所述热能存储器连接所述核动力系统以将所述核动力系统的热能变为高压蒸汽，所述超导发电机的电机转子设置在所述热能存储器中。

所述动力推进系统包括推进剂、推进器、磁极、空心阴极、电子、热能存储器和放电室，其中所述推进剂与所述超导发电系统的送电装置相连接，所述磁极为所述推进器提供磁场环境，所述空心阴极连接所述控制所述推进器，所述电子向所述推进器提供所述推进剂和电能，所述热能存储器用于回收所述推进器产生的热源，所述放电室与所述热能存储器相连接以将所述热能转换为电能。

本发明的优点是：

1）无人机核动力摆脱了传统无人机续航能力不足，实现远距离且不着陆补充能源进行探测，极大提高无人机作业效率。

2）解决传统无人机太阳能无人机或碳氢燃料的无人机载重有限，飞行速度较低，机身发电能力有限，实现长时间滞空进行相关数据采集作业。

3）通过高温超导技术实现无人机能量无损传输，超导磁储能可以在四象限独立地对电力系统进行有功、无功功率补偿，有效地提高无人机供电。

4）通过核安全应急改装，通过多次利用不同物质材料屏蔽核污染达到核安全使用目的。

5）基于“核安全法规”相关规定，破解无人机在新建高铁（或同等级长大线铁路）项目中长时间、远距离且不着陆能源补给前提下进行资源地形信息获取与分析；利用推进器取代传统无人机旋翼与固定翼改进飞行手段，同时结合超导与核动力交互动力的方法突破传统无人机续航模式以此提供一种动力装置，实现在极短时间内完成长大线铁路勘测设计，为降工降本目标营造良好条件。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的设计系统架构图；

图3为本发明中空气与核热换热器强化传热原理图；

图4为本发明中辐射剂量场设计限值。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4所示，图中标记1-23及a-c分别表示为：核反应堆1、核安全应急改装器2、核热换热器3、热效箱体4、液氮真空容器5、超导绕组6、电机转子7、送电装置8、电绝缘填充9、热能存储器10、常导绕组11、真空容器壁12、感应板13、定子超导绕组14、压力孔15、电流引线16、推进剂17、推进器18、磁极19、空心阴极20、电子21、热能存储器22、放电室23、核动力系统a、超导发电系统b、动力推进系统c。

实施例：本实施例中用于长大线铁路地形航测的无人机动力装置包括，核动力无人机原则上以核动力源及其安全防护为核心。核动力无人机具有核辐射、大功率、高电压、大电流的特点，导致在核动力源、核安全系统、机械设计、热能源利用、高温超导等多领域必须做好相应解决方案。同时，本实施例依据：核安全需符合gb15146-2008系列《反应堆外易裂变材料的核临界安全》、gb18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》、gb-11806-2004《放射性物质安全运输规程》、gb11806-2004《放射性物质安全运输规程》等标准和航天器自身所规定的相关要求进行设计。

1）核动力源

核动力源应当根据无人机对核动力源的系统要求，包括发电功率、转换效率、辐射剂量、质量、体积、使用寿命等，首先确定选择核反应堆或同位素电源的方案，以保证无人机按要求完成任务和功能。

本发明设计的核动力源为超大功率空间核反应堆电源，反应堆热功率设计为4.0mw，出口温度1800k，选择xe作为发电工质，系统输出电功率2.80mwe，系统效率55.2%。空间核反应堆（尤其是应用于短寿命轨道的空间核反应堆）宜选用高富集度u-235作为燃料。以上核动力源参数保证了无人机在飞行过程中，实现不停息飞行作业采集数据。

2）热控交互

在常规的反应堆设计中，对于无人机小型堆的设计，其限制因素往往集中在堆芯热工方面。如果堆芯热量可以有效快速输出，堆芯体积将会更小，其重量将大幅降低，这对堆芯小型、轻量化具有重大意义。

由于核动力系统的启动过程将经历初始沸腾阶段，在加热过程中，气泡生成迅速，流动剧烈，潜在的流动不稳定现象的维持将对壁面耦合传热造成影响。本发明设计一种核热换热器，是相变传热通道与推进系统发动机的耦合部件，主要作用是利用来自堆芯的热量加热压缩空气。对于核动力发动机，空气是产生推力的主要来源。将多环结构的核热换热器放置于发动机环形燃烧室内部，构成一体化推进系统，涡喷发动机的原型为tri60涡喷发动机，利用其环形燃烧室空间构成的一体化耦合结构布置，有效提升推进性能，使得核热换热器利用原有燃烧室空间达到与常规燃油发动机同等的推进性能实现换热器内部的热量传递。

热控交互解决核动力无人机大功率热排放问题，另一方面可以将热能传递超导发电机为后期提供能源转换。

3）超导电机

本实施例对电机端采用超导绕组替换铜绕组作为电机的电枢绕组，可以进一步提高电机功率密度，并几乎不会使电机的体积增大。目前，高温超导电枢绕组电机只能工作在低转速下。本发明突破低转速，高温超导电枢绕组电机的高速应用，有助于进一步提高无人机电机的功率密度。

本发明提出一种高温超导概念，在核反应高温环境下，实现超导电机高速化。本发明具体参数为25kw，6极，1800r/min，定子外径230mm的高温全超导电机，定子额定电流70a，电流频率为50hz。该电机电枢绕组采用amsc公司生产的ybco带材（界电流为100a），而绕制成超导线圈后，线圈的临界电流约为50a，该电机转子采用ybco超导块材永磁体进行励磁。

在这种电机中，高温超导绕组传输直流或低频交流电流，有效控制了交流损耗，同时保证电机具有较高的功率密度，确保无人机供电。

4）推进装置

利用电子在正交电磁场中闭合漂移运动产生的霍尔电流效应电离推进剂、产生等离子体，并主要通过静电场加速离子、产生推力驱动无人机定向飞行。

本发明提出霍尔电推器作为驱动装置，霍尔电推进具有推力密度大、推力功率比大及系统可靠等优点，执行无人机位置保持、航线转移、航线调整等功能。本发明采用霍尔电推进方法，主要参数：采用氛作为推进剂，5kw霍尔电推进系统简单可靠，安全性好；综合性能好，兼顾推力和比冲。推力功率比维持在40-66mn/kw，推力密度为1-2mn/cm2,该配置可缩短飞行任务。

上述配置的霍尔电推进在无人机上应用，可带来如下优势：

1、大幅节省推进剂，增加有效载荷或延长无人机勘测作业周期；

2、冲量小、一致性好且易于控制，提高无人机姿态稳定度。

3、着陆地点选择的灵活性，减少高速度增量无人机对自带的引力加速依赖。

5）核安全应急改装

核安全应急改装主要由整体防辐射屏蔽结构由铅屏蔽板、铅砂、过渡连接结构组成。铅屏蔽层由10mm厚度的铅板组成，在辐射屏蔽中采用10mm尺寸，铅屏蔽板起主要的辐射屏蔽效果。因而整体屏蔽无死角，且整体结构可贴附于舱室的外表面上，铅砂形成一层有效的防辐射屏蔽层，从而保护无人机核能的安全使用。

在满足辐射安全要求的前提下，应综合考虑反应堆一次屏蔽和二次屏蔽，以达到尽量缩小屏蔽体体积，减轻屏蔽体重量的目的。核反应堆或同位素电源的辐射屏蔽设计应满足下表规定的辐射剂量场设计限值，如图4所示。

本实施例中的结构分为三大系统核动力系统a、超导发电系统b与动力推进系统c。其中，核动力利用可控核反应来获取能量，从而得到动力、热量和电能，核反应是指入射粒子（或原子核）与原子核（称靶核）碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程，提供主要动力电源。其次将核热通过热控交互促成超导无损发电，为次要动力电源，目的将能量损失降到最低，最后以推进器为终端，将电能转为动能，实现无人机在飞行，能力转换方式依次为：核能、热能、电能、机械能。设计系统架构如图2所示。

动力装置的工作原理：

1、核、热能发生原理

本实施例设计的核反应堆为超大功率空间核反应堆电源，反应堆热功率设计为4.0mw，出口温度1800k，选择xe作为发电工质，系统输出电功率2.80mwe，系统效率55.2%。核反应堆1宜选用高富集度u-235作为燃料。核安全应急改装器2主要由整体防辐射屏蔽结构由铅屏蔽板、铅砂、过渡连接结构组成。核热换热器3的外形尺寸参数可为∅93.4mm-∅280mm的燃烧室环形空间内，设置多层环形通道构成核热换热器结构，外侧为相变换热的铿蒸气，内侧为发动机进气的压缩空气，两种工质通过内壁面换热实现换热器内部的热量传递。热效箱体4为热能转换空间装置，包含两层材料，第一层为奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含cr约18%、ni8%-25%、c约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织，高温下的强度和抗腐蚀性能都很好，且价格比较便宜，也用作热效箱体4包壳和其他结构材料。第二层为吸收剂，主要的材料为硼，目的吸附残余穿透力大的中子和γ射线，对核污染二次防护处理。

产生核能具体方式：原子核发生变化过程中所释放出来的能量，本阶段核动力系统主要采用裂变方式，质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放能量。该能力集中在核反应堆1有效控制，核安全应急改装器2为安全壳，防止核泄漏作用。核热换热器3接受核反应堆1释放的大量热能进行储藏，热效箱体4的奥氏体不锈钢在核反应堆1高温下不会发生形变，维持核能发生阶段空间结构稳定性。

2、核热换热器设计原理

核热换热器3设计原理：将多环结构的核热换热器设计放置发动机环形燃烧室内部，构成一体化推进系统，涡喷发动机的原型为tri60涡喷发动机，利用其环形燃烧室空间构成的一体化耦合结构布置。

对于涡喷发动机，空气由发动机进气道进入推进系统发动机内部，经压缩机增压后进入核热换热器，核热换热器的主换热区与高温铿蒸气直接接触构成传热管道的冷凝段，压缩空气在内腔、li蒸气在外腔构成贴壁换热器，空气通过壁面传热的方式实现自身焙值的增加，加热后的空气进入涡轮做功产生推力。核热换热器与空气换热的总体布置如图4所示。

核热换热器3布置在93.4mm-280mm燃烧室环形空间内，93.4mm壁面的内侧为涡喷发动机涡轮轴，280mm壁面外侧为航空发动机外壁面，各壁面均设计为绝热壁面，在环形空腔内设置多层环形通道构成核热换热器结构，外侧走相变换热的li蒸气，内侧走发动机进气的压缩空气，两种工质通过内壁面换热实现换热器内部的热量传递。

3、电能设计原理

在超导发电系统b中，本实施例提出一种高温超导概念，在核、热能传导中实现超导电机高速化。具体形式为：

1）核、热能预处理

主要将前一部分核、热能量去杂，尽量控制能量传递中无损耗作用。具体形式为通过设置液氮、真空容器5提供两层系统空间，包含液氮层与真空层以此进行隔热。超导发电系统设定具体参数为25kw，6极，1800r/min，定子外径230mm的高温全超导电机，定子额定电流70a，电流频率为50hz。电机的超导绕组6采用amsc公司生产的ybco带材（界电流为100a），而绕制成超导线圈后，线圈的临界电流约为50a，该电机转子7采用ybco超导块材永磁体提供定子电源。

2）形成超导绕组

上述电机采用液氮层冷却后，同时通过压力孔15进行降压，避免空间高温压强过大损坏系统。液氮层外为真空容器，液氮、真空容器5属于冷却区。整个电机定子放置于该空间中，包括定子超导绕组14、常导绕组11、超导绕组6、电流引线16等。超导带材具有类似陶瓷的机械特性，过大的扭绞或弯曲应力会影响其载流能力，此时提前绕制好超导线圈，装置于电机的定子超导绕组14中，并连接每个线圈的接头，以上步骤目的为形成超导绕组。

为了降低其他绕组产生磁场对超导绕组载流能力的影响。常导绕组11、超导绕组6可使高温超导线圈承载交变电流的频率高达200hz。采用混合电磁绕组沿转子周向均匀对称分布，混合绕组高温超导部分为转子提供稳定可调承载力，通过感应板检测13和常导绕组11实现对转子在工作中所受干扰的控制实现磁悬浮系统的稳定。定子超导绕组14采用2极12槽结构，常导绕组11采用4极12槽双层绕组结构，采用∅1.0mm铜线进行绕制。

3）核、热能转电能

热能存储器10吸收了传来的热量变成高压蒸汽，然后推动电机转子7，带动超导发电系统发电。电机转子7处于真空热能存储器10中，转子所处真空区域与液氮、真空容器5相连。真空容器壁12既起到了隔热作用，同时又减小了转子的空气阻力，有助于提升电机转速。电机定转子之间由密封容器相隔，气隙部分的容器壁采用玻璃钢制成，与上下部分的金属轴承座粘接，避免交变气隙磁场在容器壁内产生涡流损耗。

超导发电系统终端为送电装置8，通过电流引线16完成电源输送，为防止漏电发生，利用电绝缘填充9作为绝缘体，主要构成为二氧化碳，可实现发电机、转子、定子等部件无破损清洗。

4、机械能推动原理

利用超导发电系统终端为送电装置8在正交电磁场中闭合漂移运动产生的霍尔电流效应电离推进剂17、产生等离子体，通过静电场加速离子、产生推力。

在点火状态，系统由推进器18直接提供机械动能，推进器18功率处理单元包含磁极19、空心阴极20、电子21等，磁极19为推进器18提供磁场环境，电推进器空心阴极20启动前需要加热数分钟才能点火，目的为提高空心阴极和霍尔推进器可靠性，电子21向霍尔推进器供应推进剂和电能，包含热能存储器22、放电室23，回收机械能产生热源进行二次机械能转换电能，以此控制动力推进系统的运行。

本实施例在具体实施时：整个动力传输路径为：在核动力系统a中，核反应堆1中国核动力源为超大功率空间核反应堆电源，入射粒子（或原子核）与原子核（称靶核）碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核产生热能和电能。其中，电能直接传输到动力推进系统c中推进器18，通过推进器18做功获得飞行动力。其次热能则通过核热换热器3传输到超导发电系统b的热能存储器10进行热能存储，而热能存储器10则将热能转换为高温蒸汽驱动电机转子7工作，电机转子7则带动定子超导绕组14工作，超导发电系统终端为送电装置8，通过电流引线16完成电源输送，利用超导发电系统终端为送电装置8在正交电磁场中闭合漂移运动产生的霍尔电流效应电离推进剂17、产生等离子体，通过静电场加速离子、产生推力。同时，动力推进系统c回收机械能产生热源进行二次机械能转换电能在超导发电系统b终端，事先能源的充分利用。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。