蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统换热特性数值模拟研究

本文通过三维数值模拟研究蓄热式太阳能热光伏-热推进双模系统的蓄/释热特性和推进性能。在蓄热式太阳能热推进系统工程模型的基础上,通过射线光学的光路分析验证了聚光器设计的合理性,并获得吸热腔壁面能量分布情况,进一步研究了相变蓄热过程的影响因素。基于场协同原理对热光伏再生冷却结构进行了优化设计,使热光伏具有较好的散热特性,提高发电功率;通过整机流动换热仿真,分析了工质流体在推进器内部的换热情况,计算结果表明,蓄热式热推进器具有达到734s比冲和0.9N推力的推进性能,以及能够满足日蚀区微小卫星的供电和推力需求。     

射频离子推力器多元工质束流调节试验研究

为了获得射频离子推力器离子束流随放电参数的变化规律,采用试验研究的方法,就推力器引出束流与射频功率强度、工质种类、工质流量之间的调节规律开展了研究,搭建了射频离子推力器束流调节试验系统。研究结果表明:屏栅电压1200V,加速电压-250V,射频功率200W～700W,工质流量0.2mg/s～4.76mg/s,Xe,Ar,O_2,N_2四种工质下能够可靠放电并稳定引出,实现束流从54mA～467mA的调节,电离效率XeArO_2N_2,离子束流随射频功率和工质流量线性增加,在1.01mg/s的氙工质下,推力、比冲随射频功率从100W～400W线性增加实现推力7.35mN～27.5mN,比冲1191s～3696s大范围连续可调,工质利用率为21.1%～78.8%,并在射频功率为276W时工质利用率和功耗之间存在明显拐点,在应用中要根据任务选择最佳工作区间,合理控制工作参数可以提高推力器工作性能和效率。     

燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能影响实验研究

为了研究燃烧室长度对液态燃料旋转爆轰发动机性能的影响,在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,详细分析了不同燃烧室长度下爆轰波传播模态、平均压力峰值和传播速度的变化特征。测量了发动机模型在不同燃烧室长度下的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明:出口背压为大气压时,空气流量为762.9g/s,氧气流量为182.4g/s,汽油流量为84.3g/s,当量比为0.82,燃烧室长度L=235mm工况下爆轰波为稳态双波对撞模态,平均压力峰值和传播速度分别为0.9MPa和1068m/s,爆轰波传播频率为2.223kHz。当L235mm时爆轰波为非稳态双波对撞模态,平均压力峰值变化较小,传播速度随着燃烧室长度变短而降低。仅在L=135mm工况下,爆轰波传播速度略高于L=155mm工况点,推力和燃料比冲分别为579.5N和701.5s。当155mm≤L235mm时推力和燃料比冲随燃烧室长度增加而缓慢增大,L=235mm时推力和燃料比冲分别为607.3N和735.1s,L235mm时推力和燃料比冲变化趋于平缓。     

N2O单组元微推进系统及其喷管流场的初步研究

针对利用N2O单组元催化分解产生热气、用于精确控制飞行器姿态的微推进系统,提出了初步的系统方案和主要设计参数.通过数值仿真,对设计推力为1N的微推进器喷管在高空工况的内流场和真空羽流场进行了研究.计算得到喷管的推力为1.041N,比冲为1922.7N·s/kg,从而验证了喷管相关设计参数的合理性.理论分析为后续的地面试验件的设计加工及其热试车提供了有益的参考.     

气动磁镜聚变推进器的火星探测任务分析

将气动磁镜聚变概念拓展到空间推进器应用,分析了不同等离子体密度和氢推进剂质量流率下聚变推进器的比冲和推力变化范围,理论计算表明其比冲可达10 000 s以上,推力最高可达几十牛。在此基础上,进一步采用气动磁镜聚变推进器对地火转移任务进行了数值仿真。假设推进器初始质量为100 t,仿真结果表明:当飞行时间在282.42~639.76 d变化时,剩余质量从88.59 t提升至98.24 t。相关分析表明基于气动磁镜的聚变空间推进器通过调节比冲和推力组合方式,可以很好地满足未来火星载人和货运任务对飞行时间和有效载荷份额的不同需求,是未来高性能空间推进器发展的一种候选方案。      

H_2/Air连续旋转爆震发动机推力测试(I)单波模态下的推力

在环缝-喷孔对撞式喷射的连续旋转爆震模型发动机上,以H2/Air为工质,对连续旋转爆震波以单波模态稳定自持的典型波形特征和时域、频域特征进行了研究。直接测量了模型发动机工作在该模态下产生的一维推力,讨论了比冲等推进性能。试验结果表明:出口背压为大气压时,在空气流量253 g·s-1,氢气流量6.15 g·s-1,当量比为0.834的工况下,模型发动机以平均传播频率5.5563 k Hz、平均传播速度1658.3 m·s-1的单波模态稳定工作360 ms。产生可靠的有效推力约为183.7 N。以火箭模式计算,有效排气速度为708.9 m·s-1,总比冲为72.34 s;以冲压模式计算,有效排气速度(氢气消耗率)为29870 m·s-1,燃料比冲为3048 s,消耗的氢气的单位面积质量流率为4122 g·m-2·s-1,单位推力为726 m·s-1。推力曲线的面积积分表明旋转爆震模型发动机所提供的推力比较稳定;微观来看,推力波形与爆震波高频压力波形耦合,围绕推力平均值振荡。     

基于Fluent的单罐蓄热特性模拟分析

采用熔盐储热是解决高效、低成本储能与实现减碳减排目标之间矛盾的一种有效途径。以熔融盐为储热介质,熔盐蓄热单罐储热系统能够实现太阳能―热能的有效转换,并可以用来存储和释放能量。选取不同几何形状的内壳式蓄热单罐模型,利用Fluent数值软件,计算各模型的PCM(Phase Change Material,简称PCM)平均温度和热罐内部液相分数并进行对比分析,结果显示,四棱柱管壳式储热罐的蓄热量较好,蓄热速率较大且储热性能更优。选择四棱柱管壳式蓄热罐作为研究对象,通过改变导热流体的进口温度和流速以及相变材料的导热系数,分析不同工况下PCM平均温度的变化：当导热流体进口温度从597 K上升到747 K时,管壳式蓄热罐中的PCM平均温度由394 K升高到441 K;在导热流体进口速度由0.3 m/s上升到2.2 m/s的过程中,蓄热罐中的PCM平均温度由446 K上升到473 K;导热系数在0.277 W/(m·K)增加到1.277 W/(m·K)的过程中,PCM平均温度增高约27 K。该研究可为蓄热单罐的优化设计及应用提供一定参考。     

激光光船周围连续/稀薄混合流场的数值模拟

当火箭模式激光推进器在高空稀薄大气中飞行时,需要在激光聚焦区附近喷射稠密气体工质,从而利用激光聚焦击穿气体工质形成等离子体,为光船提供推力。为了分析该光船的推力产生过程,采用连续流体力学计算方法(CFD)和直接数值模拟蒙特卡洛方法(DSMC)耦合的混合算法,数值模拟飞行高度为80 km飞行马赫数为5的激光光船周围高温连续气体和稀薄环境大气耦合的非定常混合流场,并得到推力随时间的演化曲线。结果表明,稀薄效应明显增加了激波厚度,高温效应延迟了推力的产生,并导致冲量耦合系数和比冲的降低。     

激光脉宽对含碳粉GAP推进剂推进性能影响初步研究

针对激光烧蚀微推进技术中推进剂微推力偏小、冲量耦合系数较低的现状,设计了掺杂碳粉的聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂。利用低功率半导体激光器,对GAP推进剂的推进性能进行了测试和分析,获得了不同脉宽条件下,比冲、冲量耦合系数的变化规律。研究结果表明,激光功率7W、脉宽2ms时,推进剂比冲和冲量耦合系数最大分别为100s和195μN/W。     

大推力核热火箭运载器及动力特性分析

根据大推力核热火箭发动机的背景要求,论证提出了一种百吨推力闭式循环核热火箭发动机系统方案,完成了系统参数的分析评估,计算结果表明,反应堆出口推进剂温度显著影响发动机比冲,当反应堆出口温度在2500 K~3000 K范围时,发动机真空比冲为8000 N·s/kg~8800 N·s/kg。在此基础上,针对航天运输主动力火箭方案,对比分析了核热火箭与化学火箭的差异,评估了核热火箭弹道仿真及运载能力,结果表明,核动力火箭由于其高比冲的特性,运载系数远高于传统动力火箭。     

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.     

推进剂通道结构对太阳热发动机影响数值研究

运用数值模拟方法,通过改变推力室螺旋通道结构参数,对太阳热发动机(STP)能进行了详细的研究,深入分析了STP的推力,比冲、质量流量变化情况,得出了一般情况下螺旋通道的长度,宽度参数范围,同时比较了单、双通道的优缺点,所得的结论对STP推力室/热吸收室推进剂加热通道结构设计具有指导意义.      

空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验

利用相变材料 (PCM)的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术 ,建立了空间太阳能吸热 -储热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下 ,对不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。结果表明 ,单管工质气体的出口温升在轨道的日照期和阴影期都达到了预期的要求 ,相变材料容器的最高温度和平均温度都处于材料的安全范围内。     

碘工质电推进系统的储供设计及实验研究

碘工质以其低成本、低压且高密度贮存等特点越来越受到重视,承担固气相变和流量供给功能的储供系统是碘工质电推进系统的关键组件。为了提高直接影响阴极和推力器性能的流量供给准确性和稳定性,设计了可采用多种加热方式的碘工质储供系统,结合用于真空舱内的高精度质量传感器,实现了流量的动态监测及mg/s级别的碘蒸气流量控制。针对储罐外部加热、内部辐射加热以及二者复合加热三种加热方式开展实验测量,探究其对流量大小和稳定性的影响规律。结果表明,三种加热方式在满足实验所需条件下均可长期供给稳定流量,辐射加热式的响应时间最快,仅需要10min左右,而外部加热则超过1h;复合加热的方式热控调节虽更为复杂,但可以进一步降低功耗。     

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...     

MPT可靠启动与稳定工作影响因素

1引言MPT属于电热型电推进,基本原理是利用微波发生器将来自电源系统的电能转化为电磁能,然后电磁波在谐振腔中产生谐振并与工质(可选用N2,H2,He,Ar,NH3,N2O或水蒸气等)耦合,使工质离解、电离,形成等离子体,最后高温高压等离子体从喷管高速喷出而产生推力。MPT的最大优点是没有     

换热预冷发动机预冷特性和发动机性能数值研究

为深入了解换热预冷发动机换热器预冷效果和发动机性能，首先设计了叉排管束式细小通道换热预冷器，并采用非定常数值模拟方法对换热效果进行了仿真，然后结合换热预冷发动机性能计算程序对预冷发动机性能进行了研究。结果表明，飞行马赫数为2.5~4.0且氢气空气质量流比为0.03~0.09条件下，换热预冷器能将来流空气预冷90.6~471.2 K，低温氢气经吸热后温度升幅为266.1~455.3 K，换热效果良好。来流空气经预冷后涡轮发动机的飞行包线最高被拓展至马赫数4.0，达到了与超燃冲压发动机的衔接速域。相比于传统涡轮发动机，氢气空气质量流比为0.03时，本文换热预冷发动机加力状态推力能恢复至设计点推力水平；当氢气空气质量流比增加至0.09时，加力状态推力最高达到设计点推力的两倍左右。马赫数2.6以下换热预冷措施能小幅改善发动机比冲和耗油率（仅计算用于燃烧的氢气量）性能，而飞行速度大于马赫数2.6后换热预冷措施也难以抑制比冲和耗油率迅速恶化的趋势。     

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