太阳能热推进系统效率分析

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1、第39卷第5期2013年10月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPUKSIONV01．39．№．5Oet．2013太阳能热推进系统效率分析邢宝玉，黄敏超，程谋森，刘昆(国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073)摘要：太阳能热推进采用小分子量气体作为推进剂可以获取800～900S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

2、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。关键词：太阳能热推进；热效率；性能分析；数值仿真中图分类号：V439．6文献标识码：A文章编号：1672—9374(2013105—0023—08ThermalefficiencyanalysisofsolarthermalpropulsionsystemXINGBao-yu，HUANGMin—chao，CHENGMou—sen，LIUKun(CollegeofAerospaceScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseT

3、echnology，Changsha410073，China)Abstract：Solarthermalpropulsionsystemcanprovideahilghspecialimpulseof800s～900Swhenittakessmallmolecularweightgasaspropellant，butitisasignificantissuetoimprovetheheattransferefficiencyofthethermalpropulsionsystem．Thebasicanalysismodelsofmainpans

4、inthesolarthermalpropulsionsystemwerebuilt．Basedonthermalanalysisperformedbyusingthefiniteelementmethod，thecorrelativeparametersofthesystematdifferentworkingconditionswerecalcu—lated．Theinfluenceofthemainparametersofeachassemblyunitontheimprovementofthermaleffi-ciencyandprop

5、ulsiveefficiencyofthesolarthermalpropulsionsystemwasanalyzed．Thechangeruleofsystemefficiencyindifferentworkingstatuswasachieved．Themeasurestoimprovethether—malefficiencyofthesystemareproposedinthispaper。Keywords：solarthermalpropulsion；thermalefficiency；performanceanalysis；nu

6、mericalsimula—tion收稿日期：2013—06—03；修回日期：2013—08—27基金项目：部委级资助项目(9140A20100413KG01293)作者简介：邢宝玉(1984一)，男，博士研究生，研究领域为热推进技术火箭推进2013年10月0引言太阳能热推进技术(SolarThermalPropul—sion)利用汇聚的太阳光把小分子量推进剂加热成高温气体，并在拉瓦尔喷管中加速膨胀产生推力，可以获取800～900s的高比冲【Ⅷ。目前，热推进技术(包括太阳能热推进技术和核热推进技术)是美国NASA的重点发展项目，而太阳能热推进又

7、是近期将应用于空间飞行器的优先发展技术悯，但提高太阳能热推力器的光热转换效率是亟需解决的关键科学问题(NASA2015年太阳能热推力器的热效率目标是70％)，它最终决定了整个太阳能热推进系统的工作效率和性能。太阳能热推进系统主要由聚光器、换热芯和喷管等部件组成，如图1所示。本文在各部件热分析的基础上，分析了各部件主要参数对提高太阳能热推进系统热效率的影响，得出了系统在不同工作状态下的变化规律，提出了提高热效率的措施。图1太阳能热推进系统图Fig．1Diagram()fsolarthermalpropulsionsystem次聚光器第39卷第5期

8、邢宝玉，等：太阳能热推进系统效率分析251数学模型1．1聚光器模型太阳光进入推力器加热推进剂之前，要利用旋转抛物面主聚光器进行汇聚，形成高温焦斑。经过