用于太阳能推进的可折叠展开式伞状龙骨聚光器

为有效提高空间太阳能聚光器的聚光效率,提出了一种用于太阳能热推进器的具有伞状龙骨结构的可折叠展开式抛物面太阳能聚光器设计方案,该方案可以克服充气展开式抛物面聚光器和刚性固定抛物面聚光器具有的技术难题。设计了一个聚光功率100 kW,开口圆半径4.9 m的可折叠展开式伞状龙骨结构正焦抛物面聚光器,利用Fluent软件,对太阳能热推进器进行了模拟和性能预示,以氢气为工质气体,得到系统的推力和比冲可以分别到达10.23 N和701.4 s。结果表明:这种推进器具有比冲高、推力适中的特点,可以用于微小卫星、纳卫星的轨道转换及姿态控制。

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。

多模式太阳能热推进的性能计算和分析

在分析直接式、间歇式和补燃式三种工作模式太阳能热推进(STP)的技术特点的基础上,基于太阳能高温对流换热和工质换热的光热学理论,建立三种工作模式STP的物理数学模型,分别计算其推进性能,并分析了聚光器参数,推进剂种类,工质对流换热性能等因素对三种工作模式STP推进性能的影响。计算结果表明,当有效聚光半径为4m,以氢气为工质时,直接式STP比冲800s左右,推力约10N;氢气过量系数在2～5之间时,补燃式STP推进性能较好。

吸气式太阳能热推进系统进气道特性分析

吸气式冲压推进技术是吸气式太阳能热推进技术的基础。如何设计一种性能理想的进气道是吸气式太阳能热推进技术研究的重点。应用稀薄气体动力学仿真常用的直接数值模拟蒙特卡洛算法对两种常见的进气道结构进行仿真分析,得到两种进气道工况下气体的温度、密度、流量系数和速度等参数的分布,并进行对比。通过比较,选择一种性能较好的构型作为吸气式太阳能热推进系统的进气道,从而为后续系统的设计、计算、分析和优化打下了基础。

太阳能热推进系统流场和性能计算

利用FLUENT计算流体软件,建立太阳能热推进系统内部工质流体(氢气)流动模型,根据太阳能热推进系统地面试验的运行情况和结构参数,对氢气在热推进系统内部的流动、传热现象进行了数值仿真研究,对系统内部流场结构和传热机理进行探讨;同时,研究了喷管收敛半角、扩张半角及喉管直径对太阳能推进系统性能的影响。研究结果表明,太阳能推进器的结构参数对系统性能影响较大,收敛半角对太阳能热推进系统的比冲影响不明显,对质量流量和推力的影响较明显;在其他参数一定的情况下,存在一组最佳结构参数:扩张半角oθpt=60°,喉管直径Dopt=2 mm,对应于最佳比冲Isp=803 s。

基于太阳能热推进的应急飞行器系统优化设计

基于太阳能热推进的航天器推进系统具备高比冲、高效率等诸多性能优势。文章基于太阳能热推进原理实现应急轨道航天器的轨道补偿控制,并对系统关键参数进行了优化设计。首先建立轨道控制系统的数学模型,然后根据太阳能热推进原理与轨道特性实现吸热剂质量与聚光器吸热面积的优化计算,最后仿真验证该方案的可行性。仿真结果表明:该方案适用于210～300km高度的应急轨道,且吸热剂质量与聚光器面积需求均在合理范围内。

多任务小行星探测太阳能电推进轨道设计

近几年，世界各航天大国陆续实施了小行星探测计划。近地小行星也是我国下一步深空探测的重要目标。以此为背景，研究了多任务近地小行星探测的电推进轨道设计问题。首先基于双脉冲假设搜索节省能量的发射窗口。根据脉冲搜索结果设计电推进方式的小推力转移轨道，将中途多任务探测作为内点约束整体优化轨道，并考虑了太阳能电池阵功率对发动机推力工况的约束。在小推力燃料最优控制问题的间接法求解过程中，使用了平滑技术和开关函数检测等方法以克服间接法的缺陷，能够快速、高效地得到优化设计结果。最后给出了设计算例。

太阳能热推进系统效率分析

太阳能热推进采用小分子量气体作为推进剂可以获取800~900 s高比冲,但提高推进系统的换热效率是目前亟待解决的问题。本研究建立了太阳能热推进系统主要部件的基本分析模型,在利用有限单元法进行热分析的基础上,对系统在多种工况下的相关参数进行了计算,分析了各部件主要参数对提高太阳能热推进系统热效率和推进效率的影响,得出了系统效率在不同工作状态下的变化规律,并提出了提高系统效率的措施。

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。

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

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。

火星地外生物学研究用全太阳能电推进方案

在探测太阳系的极光计划框架内,欧空局合作设计研究组织已开始启动专用于地外生物研究的低成本火星计划的可行性研究。为了在2007年尽可能地把最大量的有效载荷送到火星表面,设计了供选用的主推进系统,建议采用一种全太阳能电推进方案,这是一种5个离子发动机横向连接的结构,用于达到所要求的飞越速度,插入火星邻近区域,盘旋或下降到最终1/4天同步轨道。用小型固体助推器推进着陆器轨道下降机动所需要的脉冲。文章主要考虑系统的综合性能,比较了适用的SEP(太阳能电推进)平台的优缺点,分析不同的点火方案,详细描述所选择的推进系统并讨论相关的欧洲技术的发展状况。

太阳能火箭发动机聚光器设计方法

对工程上常用聚光器进行了性能比较,得出了适合于太阳能火箭发动机(STP)的聚光器及其具有的性能优点,研究了此种聚光器的的设计方法,并推出了相关公式和其中的关键技术,这对STP聚光器的工程设计具有重要的指导价值。

单人驾驶太阳能飞机

据报道．瑞十太阳推进公司的研究人员设计出一种由太阳能推进的单人驾驶飞机．并希望2010年能进行环球飞行。

太阳能热推力器二次聚光器再生冷却过程

为克服太阳能热推力器折射式二次聚光器容易破裂的缺点，本文采用再生冷却技术，对二次聚光器与推力室进行了一体化设计，并对该过程进行了流动与传热仿真。仿真结果表明，该设计可有效地降低聚光器的工作温度至1600K以下，热应力分析表明可有效降低其破裂的可能性。同时该设计可预热推进剂至500K以上，提高了系统的能量利用效率。通过进一步对吸收腔内的热辐射分析发现，工质流动对吸收腔壁温影响较小，吸收腔壁面仍然可以维持2400～2600K的高温。

基于太阳能电推进的小行星动力推离方案设想及处置策略

近地小行星对地球构成了潜在的撞击威胁,如何有效可控地实施防御方案成为近年来的热点问题.采用电推进的动力推离在轨处置方法能够以持续作用的方式改变小行星的轨道,使小行星的可控偏转成为可能.面向未来小行星防御偏转需求,本文提出了一种以太阳能电推进为基础的分布式小行星动力推离处置方案设想.通过能源与推进系统的分布式部署,实现能源供应与偏转变轨的综合效能优化.在此方案基础上,针对不同自转特性的小行星,提出了三种附着部署与偏转处置策略,对比分析了电推开机阈值角度、推力矢量调节等参数对偏转效果的影响.研究发现,基于太阳能电推进的动力推离处置策略能够使百米级尺寸的近地小行星产生偏转,该研究可为近地小行星防御提供方案参考.

用太阳舵控制大型挠性体太空帆的控制方法

本文论述了一种用太阳舵控制大型挠性体太空帆的控制方法。介绍了太阳舵控制原理、控制方案,给出了控制规律,推导了解耦控制力矩方程。最后分析了挠性振动的稳定性控制。

基于混合推进的地球同步悬浮轨道设计

为了满足特定任务对悬浮轨道航天器长期运行的需求,文章研究了基于太阳能电推进(SEP)和太阳帆混合动力的地球同步悬浮轨道的推进技术。首先推导了混合推进下太阳帆姿态角与SEP系统加速度之间的关系式;然后对其一阶最优性条件求解单变量极值问题,得到太阳帆姿态角的控制律以及SEP系统的加速度的极小值;最后进行了算例仿真。仿真结果显示,相对于仅采用太阳能电推进的航天器,采用混合推进策略运行一年,可以节省约57%的燃料。所设计的混合推进策略达到了节省燃料、提高航天器在轨寿命的目的,可以很好地实现现阶段地球同步悬浮轨道的要求。

考虑功率约束的太阳能电推进轨道优化设计

电推进航天器通常由太阳能电池阵供电,因而实际深空探测任务中发动机的推力工况受到星日距离的限制。该文研究了功率约束下电推进航天器的轨道优化设计问题。首先推导太阳能电池阵功率对发动机最大推力的约束。采用间接法将电推进轨道的燃料最优控制问题转化为两点边值问题。求解过程中提出了适应太阳能电推进轨道优化的星日距离检测并应用了同伦迭代、开关函数检测等求解技术,能够准确、快速地得到满足太阳能电池阵功率约束的设计轨道。算例表明,该设计方法具有良好的可行性和工程实用价值。

太阳轨道器非同寻常的“护身符”

太阳轨道器运行的位置,是整个太阳系里环境最恶劣的地方之一。虽然最后确定的轨道比最初设计要离太阳远一点,但在最近的地方,太阳轨道器距离太阳也只有4200万公里。这个数字看上去挺大的,但只有地球到太阳距离的1/4。想想夏日正午的阳光是什么样的?而且地球外面还有厚厚的大气层。实际上,这个距离比金星到太阳还近。这颗太阳系最内侧的行星。

可折叠展开式伞状龙骨聚光器的聚光性能

针对可折叠展开式伞状龙骨聚光器具有自重低、功率高、比冲高、推力适中的特点,利用ANSYS和ZEMAX软件对功率为100 kW的可折叠展开式伞状龙骨聚光器在太空环境中的聚光性能进行模拟分析。在太阳风及衬底薄膜表面张力的影响下,伞面最大应力为1.66 MPa,远小于Kevlar材料及Ti-6Al-4V龙骨材料的阈值强度,伞面最大形变仅为0.941 mm,焦斑半径为6.37 cm,几何聚光比可达5 917,比标准抛物面仅减小了1.25%。结果表明:将材质轻、抗拉伸强度高的伞状龙骨结构引入可折叠展开式聚光器的设计方案,在很大程度上抵消了衬底薄膜材料表面张力及太阳风对聚光器工作形态的影响,可消除褶皱,提高可折叠展开式伞状龙骨聚光器的结构稳定性及可展开度,同时证明了伞状龙骨结构及Kevlar材料的选择是合理的。