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STP光热转换机理研究及实验系统方案设计
作 者: 夏广庆
导 师: 毛根旺
学 校: 西北工业大学
专 业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 太阳能热推进 太阳能聚光器 吸收器/推力室 光热转换 发动机设计
分类号: V439
类 型: 硕士论文
年 份: 2005年
下 载: 197次
引 用: 3次
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内容摘要
太阳能热推进(STP)是一项新概念、新技术,其系统主要由太阳能聚光器、吸收器/推力室、工质贮存与供应系统组成,利用聚集的太阳辐射能直接加热轻质量的推进工质(例如氢气),膨胀后通过喷管喷出而产生推力。STP使用取之不尽、经济清洁的太阳辐射能,可以大大减少对空间的污染:它不需光电转换、能量管理系统,因此结构相对简单,太阳能利用率较高:它可实现较高的工质温度(1000K~2500K,有时甚至超过3000K),具有高比冲的特点:它具有范围宽阔适中的推力,适合完成航天器的转轨飞行、姿态控制和轨道保持。因此,STP是空间推进技术发展的一个极具吸引力和充满前景的新方向。 本论文研究的主要目的是以STP光热转换机理研究为基础,对STP推进方案、材料选取,能量转换方式进行详细的比较和分析,并对STP关键部件——太阳能一次聚光器、折射式二次聚光器和吸收器/推力室进行合理的分析和设计,进而建立STP的理论模型,预示其性能。 本文主要工作和价值在于: (1)综述了国外STP的研究现状、发展趋势及其在潜在应用领域中的性能优势,指出了国内开展STP研究的必要性和迫切性。 (2)分析了不同方案STP的工作原理、结构和性能特点。重点研究了STP中太阳辐射聚能加热工质的基本理论,为STP光热转换机理及地面实验系统的建立奠定了理论基础。 (3)系统分析了STP关键部件的类型选取、设计方法和工艺技术,并推出了相关公式,详细设计了偏焦旋转抛物面聚光器、折射式二次聚光器和吸收器/推力室,这对STP的工程设计具有重要的指导价值。 (4)针对所设计的STP方案类型,利用能量守恒原理、辐射换热原理和传热学理论给出了STP性能预示的工程算法和结果。计算结果显示,以氢气为工质,STP具有比冲较高(5000~9000 m/s),推力范围宽(0.6~60 N)的特点。通过考察聚光器的聚光比,太阳辐射能通量密度和工质质量流量对STP性能影响的规律,得出了参数间的变化关系,为STP设计参数的选取和进一步研究提供了重要参考。
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全文目录
摘要 3-4 ABSTRACT 4-5 主要符号表 5-10 第一章 绪论 10-19 1.1 STP研究的目的意义及国内外研究进展 10-17 1.1.1 STP的性能优势和发展前景 10-13 1.1.2 国内外STP的研究现状和发展趋势 13-17 1.2 国内开展STP研究的必要性和迫切性 17-18 1.3 本文主要研究内容 18-19 第二章 STP系统综述 19-28 2.1 STP的工作原理和系统组成 19-22 2.2 STP的方案类型 22-28 2.2.1 直接吸热式STP 22-23 2.2.2 间接吸热式STP 23-25 2.2.3 国外STP研究类型 25-28 第三章 STP光热转换机理研究 28-48 3.1 太阳辐射特性 28-34 3.1.1 太阳辐射的基本概念 28-31 3.1.2 太阳辐射能与光子 31-33 3.1.3 太阳能与传播 33-34 3.2 一次聚光器的聚光反射机理 34-39 3.2.1 一次聚光器的构型 34-38 3.2.2 一次聚光器的聚光原理 38-39 3.3 二次聚光器的选取及聚光原理 39-43 3.3.1 二次聚光器的类型及其性能比较 39-42 3.3.2 折射式二次聚光器的工作原理 42-43 3.4 吸收器/推力室的光热转换机理 43-48 3.4.1 吸收器/推力室的构型与传热 43-46 3.4.2 光谱选择性吸牧涂层的工作原理 46-48 第四章 STP地面实验系统方案设计 48-70 4.1 STP地面实验系统组成 48 4.2 一次聚光器的设计 48-58 4.2.1 偏焦抛物面聚光构型 48-49 4.2.2 旋转抛物面聚光器的最大聚光比 49-51 4.2.3 结构设计 51-55 4.2.4 结构材料及薄膜工艺 55-58 4.3 折射式二次聚光器的设计 58-63 4.3.1 材料选取 59-60 4.3.2 设计条件 60 4.3.3 结构设计 60-63 4.3.4 减反射膜的工作原理 63 4.4 吸收器/推力室的设计 63-69 4.4.1 设计条件 63-64 4.4.2 结构设计 64-65 4.4.3 材料选取 65-68 4.4.4 结构图 68-69 4.5 STP的关键技术 69-70 第五章 STP的性能计算 70-81 5.1 理论模型 70 5.2 性能预示 70-77 5.2.1 接力、比冲的计算方法 70-74 5.2.2 性能预示的结果及分析 74-77 5.3 地面实验方案的参数选取 77-81 第六章 总结与展望 81-83 6.1 全文工作总结 81-82 6.2 建议与展望 82-83 硕士期间论文发表情况及获得的奖励 83-84 致谢 84-85 参考文献 85-90
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中图分类: > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 推进系统(发动机、推进器) > 特种发动机
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