激光供能换热器模式发动机性能及发射系统方案研究

论文摘要

热交换器模式激光推进是近年来激光推进研究中提出的一种独特的概念,以液氢为工质的热交换器是这种推进模式的核心部件。本文对这一概念中的换热器内工质传热流动性能、运载器总体方案、发射系统性能等开展研究。本文研究了激光推进微小卫星发射系统的概念和性能。建立了发射过程激光传输和激光推进运载器运动模型,分析了推进系统性能、大气传输衰减、模式转换高度、激光器功率、大气飞行阻力、发射点高度等因素对发射系统性能的影响。本文分析了氢工质在热交换器内的传热流动特性,建立了微通道内传热流动的一维模型,拟合了换热器工况范围内的氢工质的状态和热物性方程,分析了稳态工况下入口流动与结构参数对换热器内参数分布的影响。结果表明:在热交换器结构和工作参数的设计过程中,对工质流速的控制很重要。在本文模型中,将管道内工质的流速控制在50 m /s ,热交换器的出口工质温度就能够提升至1000K以上;提高换热器高温加热段的金属平板熔点到3000K以上,完全可以将工质出口温度提升至接近金属平板的温度,这样可以大幅度提高推进系统的性能。本文最后对热交换器模式发动机运载器系统方案进行了研究。介绍了热交换器模式改进型飞行器,对其发射方案进行了评估。结果表明:在发动机工作比冲接近600s的情况下,对于起飞质量为5400kg的飞行器而言,推重比为1.04左右。进一步将比冲优化至700s或800s ,可以将推重比提高至1.23或1.41,这样就完全能够保证发射任务的完成。因此,基于改进型飞行器的发射方案是可行的。另外,本文还结合激光与金属的作用机制,提出了金属平板温度的控制方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 激光推进发射模式相关研究
• 1.2.2 低温推进剂发动机及微通道内传热流动研究
• 1.3 论文的内容与结构安排
• 第二章 激光推进发射系统概念研究
• 2.1 激光推进发射过程分析模型
• 2.1.1 激光推进发射模式
• 2.1.2 激光射程与大气传输衰减
• 2.1.3 光船运动微分方程
• 2.2 影响发射性能的相关参数分析
• 2.2.1 激光发射功率调节要求
• 2.2.2 阻力系数
• 2.2.3 排气速度
• 2.2.4 激光功率
• 2.2.5 模式转换高度
• 2.2.6 发射点高度
• 2.3 小结
• 第三章 氢工质在发动机热交换器中的传热流动模型
• 3.1 热交换器结构及其内部工质流动工况描述
• 3.2 换热器微通道内流动的一维模型
• 3.3 氢与换热器管壁之间的传热计算模型
• 3.3.1 低温流体在管道内流动及状态描述
• 3.3.2 热交换器内传热工况的判别及热流密度计算
• 3.4 氢工质状态参数关系的拟合
• 3.4.1 密度关于压强偏导数的拟合
• 3.4.2 密度关于比焓偏导数的拟合
• 3.4.3 对相关拟合关系的修正
• 3.5 数值计算方法
• 3.5.1 交错式微元离散法
• 3.5.2 数值计算的基本思想和步骤
• 3.6 小结
• 第四章 发动机换热器稳态性能分析
• 4.1 氢工质在热交换器内状态参数变化的定性分析
• 4.2 基于微通道传热模型的换热器性能分析
• 4.2.1 “单加热段”模式的通道内工质温度分布
• 4.2.2 基于“多加热段”模式的一维传热模型
• 4.2.3 一维抽象模型的数值计算及结果分析
• 4.3 小结
• 第五章 热交换器模式运载器系统方案研究
• 5.1 基于热交换器推进器的飞行器
• 5.1.1 飞行器结构
• 5.1.2 飞行器发射方案
• 5.2 热交换器模式飞行器发射方案及参数评估
• 5.2.1 热交换器模式推进器的比冲计算
• 5.2.2 发射方案及参数的评估
• 5.3 热交换器的能量吸收机制与温度控制方案
• 5.3.1 金属对激光的反射和吸收
• 5.3.2 热交换器肋片温度的控制和估算方案
• 5.3.3 激光束远场发散角及光斑尺寸计算
• 5.4 小结
• 结束语
• 研究结论
• 存在问题与建议
• 致谢
• 参考文献