太陽能熱推進系統(tǒng)中吸熱-推力室的流場及性能分析.pdf

1、太陽能熱推進(STP)是一項新概念、新技術(shù)，屬于特種推進系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽能聚光器，吸熱/推力室，工質(zhì)貯存與供給系統(tǒng)組成，通過太陽能聚光器聚集的高密度太陽輻射能經(jīng)過吸熱腔的吸收，熱傳導(dǎo)給工質(zhì)氣體，然后在推力室內(nèi)工質(zhì)的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為動能進而產(chǎn)生推力，從而實現(xiàn)工質(zhì)的超高速噴出。與太陽能電推進(SEP)相比，STP的能量利用率高，它是直接利用太陽能加熱工質(zhì)，既省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)，又使總的能量利用率達到60[％]-70[％]，而一

2、般的電推進是利用太陽能帆板產(chǎn)生電能，然后用電能產(chǎn)生推力。由于太陽能帆板的光電轉(zhuǎn)換效率僅為20[％]左右，故損失了大部分的光能。與化學(xué)能推進相比，STP具有比沖高，并且污染小，推進劑消耗量少、無毒、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，對于同樣的空間飛行任務(wù)，可以大量節(jié)省燃料，增大有效載荷。因此，作為未來微-納衛(wèi)星飛行器的動力，進一步完善深空探測、空間軌道轉(zhuǎn)移和姿態(tài)調(diào)控，STP具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　 本論文應(yīng)用Gambit網(wǎng)格劃分軟件和FLUENT

3、流體計算軟件，通過對太陽能熱推進系統(tǒng)中吸熱/推力室內(nèi)工質(zhì)氣體的流動情況進行仿真模擬分析，得出如下結(jié)論:
　　 (1)工質(zhì)氫氣和工質(zhì)氨氣的流場分布規(guī)律一致。在流速分布場中，噴管的喉管部位(最小截面處)的馬赫數(shù)接近于1，符合拉伐爾噴管的流動特性;在溫度分布場中，喉管部位溫度小于2300K，避免了燒蝕喉管的現(xiàn)象(喉襯熱解石墨的熔點3922K)。
　　 (2)在取壁面溫度為2300K，喉管直徑取為3mm，收斂半角取為30°，擴張

4、半角取為20°，噴管的膨脹面積比為100時，以氫氣為工質(zhì)氣體的STP系統(tǒng)的比沖和推力分別可達770s和1.17N，以氨氣為工質(zhì)氣體的STP系統(tǒng)的比沖和推力分別可達388s和0.59N。相同參數(shù)條件下，通過理論公式計算得出:工質(zhì)氫氣的比沖和推力分別為781s和1.18N；工質(zhì)氨氣的比沖和推理分別為405s和0.61N。模擬值逼近于理論值。
　　 (3)噴管構(gòu)型對STP系統(tǒng)性能的影響不容忽視。喉管直徑對工質(zhì)的質(zhì)量流量的影響較明顯，直