空间反应堆以其高能量密度、长寿命等特点,成为了未来深空探测和行星基地的潜在理想能源。能量转换系统是空间反应堆的重要组成部分,功能为将空间反应堆中的热能转换为电能。因运行环境特殊,空间动态能量转换系统必须具备高效、紧凑的特点,同时对其设计和运行将有特殊的要求:系统体积与质量小,运行稳定,适应频繁变化的工况。空间布雷顿循环是满足上述要求的理想能量转换技术,本文对以空间Brayton循环作为研究对象。本文根据空间运行要求,对地面Brayton循环作出了改进:改变循环运行工质,将工质由纯氦改变为氦氙混合气体,以牺牲工质热力学性能为代价,改善工质气动性能,降低压气机与涡轮的级数,达到减少空间Brayton循环中压气机和换热器个数的目的;空间Brayton循环在压气机出口处采用分流流道冷却轴承和发电机,避免加入额外冷却系统,达到降低系统体积、质量的目的。本文以氦氙混合工质物性分析为基础,对空间Brayton循环进行物理建模与热力学分析,定性分析工质成分变化对循环重要参数的影响;同时对循环压气机、涡轮进行气动分析,研究工质成分变化对叶轮机械的影响。结果表明,随着氙气摩尔分数的增加,系统热力学性能降低,氙气摩尔分数每增加10%,循环效率较纯氦时平均降低20%、比功较纯氦时平均下降24%。另一方面,氙气的加入使叶轮机械的级数有大幅度的下降,仅加入10%氙气,压气机级数就下降至10以下,故采用氦-氙混合工质具有必要性。经过优化对比,加入9.6%氙气为最佳工质。同时以热力学分析为基础,对循环进行参数优化,提出了新的优化模式-比功优化。以优化的循环参数为基础,本文对空间MW级布雷顿发电系统各个关键部件进行了特性研究,并估算各个部件的质量,分析了空间Brayton循环的可行性。针对空间Brayton循环运行特殊性,研究了部分工况下空间Brayton循环的特性和调节机理,并提出了三种空间反应堆的调节模式:充装量调节;分流率调节;变转速调节。部分工况下,充装量调节和分流率调节可维持系统转速不变;变转速调节为空间Brayton循环特有调节机制,通过转速的变化使系统偏离额定工作点,降低循环输出功,与部分工况下负载的变化相适应。事故工况下,系统转速与压力降迅速升高,拟采用分流率调节对系统进行应急控制,使系统转速降至安全范围以内。通过这几种调节方式,空间Brayton循环可适应空间中任何工况的运行。