航空核动力系统具有大载重量、无限续航的优点,开发高效传热、大推重比的航空核动力系统,是未来推进系统发展的重要方向。目前热传输系统的设计多为开式循环,空气直接与堆芯换热,虽然结构简单却增加了核燃料泄漏风险。航空核动力系统为高空飞行系统,受重量、体积的限制较为明显,反应堆与发动机耦合传热是其中重要瓶颈之一。反应堆热量输出过程中,需通过高效传热方式以减小反应堆体积,实现核动力系统的小型化,动力驱动型锂热管的相变传热是实现堆芯高效耦合传热的有效手段;同时,现有核热换热器体积庞大,需探讨新型换热器结构,以实现核动力系统换热器与发动机的一体化耦合。本文围绕核动力推进系统堆与发动机高效耦合传热的关键科学问题开展系统性研究,针对某款马赫数Ma<l的小型航空涡喷发动机,设计了基于动力驱动热管和闭式循环的新型航空核动力系统,利用动力驱动热管的锂通道,以相变传热的方式将热量带出堆芯,传递至核热换热器内部;所设计的核热换热器为多环结构并可放置于原燃烧室环形空间内部,实现空气与热源的充分换热,最终产生推力。文中探索了该新型核动力系统的可行性并进行了方案设计与系统性评价,主要的研究内容及结果如下:(1)基于动力驱动热管和闭式循环的新型航空核动力系统,开展传热与推进方案设计及适应性研究。以动力驱动热管的热传输系统设计为基础,对新型推进系统的热传输方案、多环核热换热器特性、相变通道与堆芯和核热换热器的耦合传热进行详细分析,结果表明:采用动力驱动热管的热传输系统实现了反应堆及核热换热器的灵活布置,可充分利用飞行装置内有限的空间,达到反应堆热量高效传输的目的,有效实现反应堆与航空发动机的高效耦合传热,这对热传输系统的优化具有重要意义。(2)开展以锂为工质的动力驱动热管通道内相变传热的机理研究,探索相变通道在航空环境的可行性。分析相变通道在航空重力环境下的瞬态传热特性、剧烈沸腾阶段气泡生长对系统稳定性的影响、相变通道与堆芯及核热换热器的耦合传热特性,结果表明:动力驱动热管的相变特性在航空重力条件下,具有很好的环境适应性;堆内相变传热时,蒸气主要聚集于绝热段,气液搅混态不会一直在通道内维持,确保了堆芯传热的均匀性;相变通道与堆芯、核热换热器的耦合传热分析表明:堆芯温度分布均匀,最热区位于侧壁处;蒸气在核热换热器内冷凝换热,在底部汇集为液体;最终堆芯热量被有效带出,热传输系统可实现稳定运行。(3)开展多环核热换热器结构优化与推进特性分析。建立多环核热换热器传热与推进特性的数值模型,开展自主编程的推进性能优化程序的方案适应性研究,利用多种分析手段对多环核热换热器内流动与高效传热特性进行分析,得到最优多环结构;开展推进及传热特性的敏感性分析,获得传热及推进特性与外界控制变量之间的增量关系及敏感度关系对性能提升的影响,分析结果表明:在对流换热系数与推力归一化均值交点附近存在最优结构,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;推力对控制变量变化的敏感程度更高,进气量的增加对系统性能的提升更有利。本文的主要创新点为:(1)提出基于动力驱动热管和闭式循环的新型航空核动力系统,并针对超高温液态金属锂,开展航空环境下,传热通道内的高效相变传热的机理分析。(2)提出一种新型高效的多环核热换热器,实现燃烧室内强化传热。并利用数值分析方法得到核热换热器最优结构,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。(3)采用自主编程的推进性能优化程序,开展推进及传热特性的敏感性分析,得到各控制变量之间的敏感度影响,为核动力推进系统的进一步优化设计提供一定参考。本文是针对航空核动力系统传热与推进性能开展的基础性研究,基于目前的研究成果,可为航空核动力系统性能的优化提供必要的参考与支持。