蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统设计与性能分析

为有效解决在日蚀区太阳能热推进器推力失效、电力中断的问题,提出了蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统结构,并对系统各部件建立相关物理数学模型,分析了工质种类、工质流量等因素对推进性能的影响。结果表明,为保证推进器在日蚀区30min内持续提供推力和电力供应,砷化镓热光伏电池在无工质工况下能提供10W左右的低功率电力供应,在设计工况下能提供50W～110W的电力供应;液氢作为工质时,最大比冲将达到806s,随着工质流量的持续增加,比冲损失速率呈现先加快后减慢的变化趋势;液氨作为替代工质具有更快的加热速率,其比冲为240s～300s远低于氢工质比冲,其推力系数1.77要略高于氢工质推力系数1.7。通过本文研究,蓄热式太阳能双模推进系统具有较好的可行性,且推力及比冲适中,有望弥补低比冲化学推进和小推力电推进技术的不足。     

太阳能热推进技术的研究进展

综述了太阳能热推进的发展历程及现状,分析了不同方案太阳能热推进的原理、结构和性能特点,并对研究中的重点、难点问题结合国外发展情况进行了进一步的探讨,这对我国开展相关研究,赶上世界先进水平具有重要意义。     

基于长期驻月设施热管理系统的月壤储热块储热性能分析

针对长期驻月设施过月夜问题,基于月壤原位资源月昼蓄热、月夜期间释放热量可维持设施生存温度的理念,调研了不同加工工艺成型储热块的热物性,研究了单位体积圆柱形储热块热分析方法及边界条件选取,并进行了多周期的瞬态热仿真,获得了其储热性能和温度变化范围.结果表明:蓄热过程中恒温层耗散储热块约10％的热量,验证了热分析模型中月壤...     

平流层浮空器的热特性与研究现状

研究平流层浮空器热状况的形成机制与特性是进行热控制设计和研究热控制技术的前提,对平流层浮空器技术的发展具有重要作用。在分析平流层对流与辐射热环境特性的基础上,运用传热学基本原理分析了浮空器热状况的复杂形成机制与影响因素。评述了浮空器热特性及其控制技术的研究现状,介绍了相关研究方法、热模型与主要结果,分析了平流层浮空器热特性研究得出的基本认识与存在的问题,指出了应进一步开展的研究方向。     

空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

高空驻留太阳能飞机主动式光伏组件面功率特性研究

 光伏组件面功率特性是影响太阳能飞机性能指标的关键因素之一。首先建立了考虑光伏组件表面温度、太阳能飞机飞行高度、纬度及一年四季等因素的光伏组件面功率模型,分析了光伏组件在一年范围内的日均直射、日均水平面功率随飞行高度、纬度和季节等关键设计指标参数的变化规律,对比研究了3种跟踪采能方式下的主动式光伏组件(TPM)的逐时、日均面功率特性。结果表明:在一天的光照时间内和全年范围内,主动式光伏组件能显著提高光伏组件的面功率特性。然后,参考了典型的太阳能飞机"Helios"和"Zephyr",综合考虑能源与气动特性,初步设计了一种采用主动式光伏组件的高空驻留太阳能飞机布局方案,通过分析其日均净面功率特性得出:合理设计主动式光伏组件,可以显著提高太阳能飞机的日均净面功率约32%~66%,甚至可达116%。这些结论均说明,从采能效率和气动特性两方面综合来说,所提出的基于主动式光伏组件的布局设计思想在高空驻留太阳能飞机总体布局设计时具有良好的应用优势。     

一种再生冷却面板的温度控制热设计方法

通过分析再生冷却通道的换热特性及其影响因素,基于材料许用温度限制,提出了一种再生冷却面板的温度控制热设计方法.通过设计冷却面板的通道结构,改变通道的传热性能,使冷却面板内不同位置的通道具有不同的冷却能力.采用有限体积法结合蒙特卡罗法及对流换热实验关联式,数值模拟了温度控制热设计方法下再生冷却面板的冷却作用,结果显示该方法在适应非均匀热流密度分布的同时满足结构材料的许用温度限制,保证了结构的热可靠性.      

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

容器单元表面热辐射率对吸热蓄热器的影响

吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一,主要作用是吸收太阳入射热流和蓄热。由于吸热/蓄热器内换热管各容器单元表面温度不同,热流通过热辐射重新分布,所以容器单元的表面热辐射率将很大的影响吸热器的热性能。通过太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算吸热器的传热过程。计算得到了两种典型的换热管表面热辐射率下吸热器的能量损失、工质吸收能量、换热管最大温度,工质出口温度等结果,进行了比较分析,说明了表面处理对于吸热器热性能的重要性。计算结果可以用于吸热器的设计。      

多层打孔隔热材料空间应用热性能研究

在分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题的基础上,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型.利用该模型对不同几何、物理参数下的对象进行模拟计算,通过对计算结果的分析,明确作为几何参数的层密度和层数以及作为表面特性参数的黑度和打孔率对材料热性能的影响.该热性能的研究对提高空间多层打孔隔热材料的隔热效果,实现材料的优化设计具有积极的指导意义.     

Direct drive options for electric propulsion systems

Power processing units (PPUs) in an electric propulsion system provide many challenging integration issues. The PPU must provide power to the electric thruster while maintaining compatibility with all of the spacecraft power and data systems. Inefficiencies in the power processor produce heat, which must be radiated to the environment in order to ensure reliable operation. Although PPU efficiencies are generally greater than 0.9, heat loads are often substantial. This heat must be rejected by thermal control systems which generally have specific masses of 15-30 kg/kW. PPUs also represent a large fraction of the electric propulsion system dry mass. Simplification or elimination of power processing in a propulsion system would reduce the electric propulsion system specific mass and improve the overall reliability and performance. A direct drive system would eliminate all or some of the power supplies required to operate a thruster by directly connecting the various thruster loads to the solar array. The development of concentrator solar arrays has enabled power bus voltages in excess of 300 V which is high enough for direct drive applications for Hall thrusters such as the Stationary Plasma Thruster (SPT). The option of solar array direct drive for SPTs is explored to provide a comparison between conventional and direct drive system mass     

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

A Future Solar Orbital Transfer Vehicle Concept

The limiting performance of any orbital transfer vehicle (OTV) is fixed by its mass characteristics and the energy content of its propellant. The direct heating of hydrogen to high temperatures can produce practical specific impulses of 790 s which is to be compared with the liquid oxygen/liquid hydrogen limit of about 480 s in practical systems. A solar orbital transfer vehicle (SOTV) has been designed which utilizes a 100 m diameter concentrator system to provide the approximate 10 MW of thermal power needed to provide a nominal thrust level of 2780 N. The SOTV offers a compromise between typical chemical OTVs and electric propulsion OTVs. The SOTV can deliver 16 000 kg to geosynchronous orbit and 5000-10 000 kg to the inner planets. A four-week period for the assembly and payload integration for the SOTV has been found necessary. Several techniques for controlling the thrust level and thermal soak of the heat exchanger have been examined. Two of these, an expandable pupil stop reflector and concentrator surface deformation, are highly competitive. Considerable mission injection opportunity flexibility is possible with more than a 10 h launch window centered about each of local dusk and dawn.     

稳态等离子体推力器低功率工作模式实验研究

稳态等离子体动力器（SPT）是技术性能和空间适应性良好的电推力器,是小卫星空间动力的理想选择。从实验的角度研究了额定功率为660W的SPT在低于其额定功率下运行,推力器的放电特性、推车特性、推力效率、比冲等性能随推力器工作参数的变化。实验结果表明：660W的SPT推力器在低于其额定功率下工作,具有稳定的放电特性和确定的推力性能,可以将较大尺寸的SPT推力器在低功率模式下运行来替代小尺寸SPT推力器的作用。     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

低功率电弧加热推力器喷管温度与性能

电弧加热推力器利用直流电弧放电加热推进剂,并将加热后的推进剂通过拉瓦尔喷管高速喷出产生推力。电弧加热推力器的性能与其喷管内部复杂的传热与流动以及能量转换过程密切相关。分别以纯氩、氮、氢气以及氢/氮混合气为电弧加热推力器的推进剂,在推进剂供给流量4～270mg/s,弧电流4～12A,环境压力低于20Pa的条件下,实时检测了自然辐射冷却及推进剂再生冷却喷管的电弧加热推力器在运行过程中的喷管外表面温度、弧电压、产生的推力等参数及其变化,综合分析了喷管温度变化对推力器性能的影响。     

Design and experimental research of a sub-Newton N2O monopropellant thruster with inner-heater

Nitrous oxide（N₂O） is a green propellant with excellent application prospects. A subNewton N₂O monopropellant thruster with inner-heater and a N₂O self-pressurization stable supply system with regenerative heat compensation are designed in this paper. The experimental research of the thruster is described, including measurements of preheating power, activation temperature, vacuum thrust, specific impulse, life-span and pulsed operation performance. By inserting t...     

全方位旋转分离式激光推力器概念设计

为了更好的研究激光推进,提出了全方位360°可旋转的分离式激光推进发动机概念及其构型设计,其结构主要特点是:光学系统和推力系统彻底分离,光学系统只经过2次反射聚焦,结构简单;光学系统可以360°改变激光接收方向,以适应各种轨道条件;采用双光束、单/双发动机构型,可以降低单台激光器的功率,较平稳的实现激光器接力。对激光飞行器入轨轨道编制程序并进行数值计算。计算结果显示,为了更好的将飞行器推入近地轨道,则需采用较大冲量耦合系数的材料作为烧蚀工质,且比冲不宜过大。     

Numerical modeling of spacecraft electric propulsion thrusters

There is a clear current trend towards the replacement of small chemical thrusters used for spacecraft control by electric propulsion thrusters. These thrusters use a variety of mechanisms to convert electrical power into thrust and, in general, provide superior specific impulse in comparison to chemical systems. Electric propulsion has been under development for the last 40 yr, and almost all thrusters are designed based on experience and experimentation. The present article considers the progress made in numerical simulation of electric propulsion thrusters. Due to the wide range of such devices, attention is restricted to electric propulsion thruster types that are presently in use by orbiting spacecraft. The physical regimes created in these thrusters indicate that a variety of numerical methods is required for accurate numerical simulation ranging from continuum formulations to kinetic approaches. Successes of numerical simulation models are demonstrated through specific examples. It is concluded that numerical simulations can be expected to play a more prominent role in the design and evolution of future electric propulsion thrusters.