微小推力太阳能热推进系统高效聚光技术研究

【摘要】：为有效提高空间太阳能聚光器的聚光效率,本文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,该聚光器既可以克服充气展开式抛物面聚光器的展开度低、褶皱多及偏离标准抛物面的面差大、展开及对日跟踪难以控制等技术难题,也可以克服刚性固定抛物面聚光器质量和体积庞大、聚光功率低等问题。设计了一个聚光功率100 KW、开口圆半径4.9m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10.23N和701.4s,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的微小推力使用。利用ANSYS软件对聚光器空间工作稳定性进行了有限元结构静力学分析,计算结果表明：在考虑太阳风和一定表面张力的情况下,这种龙骨结构的引入在很大程度上抵消了反射膜材料表面张力和太阳风对聚光器工作形态的影响,保证了其在太空环境的正常工作,验证了设计的合理性。 通过对微小、纳米卫星太阳能热推进技术的系统研究得出,若需达到微小推力大于0.5牛顿、比冲大于350秒的要求,把微小推力太阳能热推力器系统方案优化为：一次反射面为可折叠展开式伞状龙骨结构的格里高利双反式一次聚光器,二次聚光器采用折射式二次聚光器(RSC),以蓝宝石作为制备RSC的材料,二次聚光器在出口处通过光纤连接器与多模光纤相连,最后通过三角锥状的能量提取器将聚焦的太阳能导入吸热／推力室来实现高效聚光的系统技术方案。 【关键词】：太阳能热推进 一次聚光器 伞状龙骨 比冲 推力 有限元 静力学分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-9
• 第1章 绪论9-29
• 1.1 微小、纳米卫星的提出和应用前景9-18
• 1.2 微小、纳米卫星推进技术的研究18-20
• 1.3 太阳能热推进的概念20-21
• 1.4 STP的研究现状21-23
• 1.5 STP的工作原理和典型结构23-26
• 1.6 折射式二次聚光太阳能热推力器26-27
• 1.7 本论文研究内容及创新点27-29
• 第2章 高效一次聚光器的设计方案29-43
• 2.1 聚光器结构、光路和聚光比的设计原则29-33
• 2.2 结构材料及膜材料33-34
• 2.3 常用一次聚光器的类型34-37
• 2.3.1 充气展开式抛物面聚光器35
• 2.3.2 刚性抛物面聚光器35-37
• 2.4 伞状龙骨聚光器的提出与设计37-41
• 2.4.1 伞状龙骨聚光器下STP性能模拟预示39-41
• 2.5 性能、用途总结41-43
• 第3章 伞状龙骨聚光器机构的可靠性有限元分析43-55
• 3.1 几何模型的建立43
• 3.2 有限元模型建立43-47
• 3.2.1 实常数的设定44-46
• 3.2.2 材料的选取及网格的划分46-47
• 3.3 载荷及边界条件的设定47-48
• 3.4 结果分析48-52
• 3.5 采用工质为氨气环境下的STP算例52-54
• 3.6 微小推力STP一次聚光器的优化设计方案及参数54-55
• 第4章 二次聚光的结构设计55-65
• 4.1 二次聚光器的选型55-56
• 4.2 折射式二次聚光器的工作原理56-57
• 4.3 折射式二次聚光器的结构设计57-61
• 4.4 光纤原理61
• 4.5 选型61-62
• 4.6 传输效率62-65
• 第5章 微小推力太阳能热推力器系统方案总结65-69
• 5.1 一次聚焦方案65-66
• 5.2 二次聚焦方案66-67
• 5.3 聚光比67
• 5.4 功率面密度67
• 5.5 工作点温度67
• 5.6 光线传输方式67-68
• 5.7 集中镜效率(系统传输效率)68
• 5.8 太阳光输出功率68
• 5.9 发展STP技术的途径68-69
• 结论与展望69-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文75

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