激光供能换热器概念设计及其性能分析.doc

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1、激光供能换热器概念设计及其性能分析禹图强*，程谋森（国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073）摘要：本文介绍了换热器模式激光推进的概念，设计了一种由多层异质材料复合外壳与耐高温金属框架流体微通道构成的，高效吸收入射激光能量的换热器；并分析了这种换热器的光热转换效率；通过建立了出口截面的二维温度场模型，验证了换热器结构的热稳定性。还建立了换热器内部流体的一维流动模型，分析结果给出了激光辐照功率密度和流体入口速度对换热器内部流体温度分布的影响规律，同时验证了换热器结构设计满足流体通道压降小的要求。关键字：激光推进，换热器，火箭发动机，对流，辐射，压降中图分类号：V

2、435文献标识码：A文章编号：1001TheAnalysisofPerformanceandDesignofConceptforLaser-PoweredHeatExchanger(HX)YuTuqiang,ChengMousenCollegeofAerospaceandMaterialEngineering,NationalUniv.ofDefenceTechnology,Changsha410073,ChinaAbstract:ThetextintroducedtheconceptofLaser-fluidHXrocketengine,anddesignedakind

3、ofHXthatabsorbsthelaserenergyefficiently,whichincludecompoundoutershellmadeupofmanylayerdifferencesmaterialandlaminar-flowmicrochannelmetalsframethatcanbearheat;andbuildsuptwo-dimensiontemperaturemodelofthesectionintheHXflat’sexit,verifiestherationalityofthemodal.andbuiltupone-dimensionmo

4、deloftheflowinnertheHX,Analyzetheresulttogettheinfluencerulebythelaserradiationpowerdensityandtheflowentrancevelocitytotemperaturedistributing,inthemeantime,thetextalsoverifiedtheHXstructuredesigntosatisfytherequestthatpressuredropissmallinthemicrochannel.Keywords:LaserPropulsion,Heatexch

5、anger,Rocketengine,Convection，Reradiation，pressuredrop引言上个世纪九十年代初期，美国科学家Jordin.T.Kare提出了换热器模式激光推进的概念[1]，其基本原理如图1所示。激光供能换热器式火箭发动机利用微通道换热器的外壳吸收激光能量，转换成热能，再将热能转换为流体工质的内能，经拉瓦尔喷管喷出产生推力。换热器模式激光推进方式相对其它激光推进方式有自己的优点。首先，对激光输出频率和功率密度要求不高，可选的激光器种类较多；其次，通过选用较小分子量的工质可以降低换热器工作温度，发动机换热器壳体可用材料较广；再Figure1

6、.Heatexchangerthrusterconcept次，实验方法简单并且容易实现，在对微通道换热器进行实验时，可以借用常规液体火箭发动机的技术，而其能源不一定是激光，可以利用常规电热器或者太阳能转换器。目前，在激光推进领域中，对换热器式激光推进概念的研究仍然很孤单，只有美国科学家Jordin.T.Kare坚持不懈地继续其研究工作[2]，他提出了利用微通道层流换热器实现激光能量向工质热能转换的思想。这种层流微通道具有很好的换热性能，但单一材质金属外壳对激光具有很高的反射率，不利于激光的吸收。本文提出了采用复合结构增强激光吸收率的思想，并具体设计了一种新型换热器壳体，同

7、时保留内部层流微通道结构。本文还针对这种新型换热器建立流体和框架的温度场模型，分析了激光辐照功率密度、流体入口速度对换热器内部流体温度分布的影响规律和换热器结构的温度分布，考察换热器结构的热稳定性与对工质的加热能力。1换热器出口温度和激光辐照功率密度讨论激光推进相对于传统化学火箭推进方式的一个重要优势在于能实现更高的比冲，从而可能实现飞行器的单级入轨。考虑理想火箭仅由贮箱壳体、推进剂和质量微不足道的有效载荷组成，若以液氢为推进剂，按照目前的液氢贮箱制造技术水平，其结构效率。据此估算，以氢为喷气工质的火箭发动机比冲需要达到700