CN104005923A - 一种太阳能热推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效率高比冲太阳能热推力器，属于航天器空间推进技术领域。本发明采用了二次聚光器再生冷却技术和层板加热高效换热芯技术，既预热推进剂且防止二次聚光器出现热应力集中导致破裂，通过层板加热高效换热提高了系统对太阳能的利用率。本发明可在同样的太阳能入射功率情况下，增大太阳能热推力器对推进剂的加热效率，提高推进剂的加热温度，具有高效率高比冲的特性。
Description
技术领域
本发明属于航天器空间推进技术领域，特别涉及一种新型的高效率高比冲太阳能热推力器。
背景技术
太阳能热推进技术利用推进剂从热源吸收热来产生高温气体，通过气动喷管膨胀喷射产生推力，该技术采用小分子量气体(如氢气)作为推进剂，可以获取600～900s的高比冲，是空间推进的重要发展方向。太阳能热推进系统可实现上面级推进和轨道机动飞行器的空间主推进，特别应用于卫星的轨道快速机动。
现有太阳能热推力器的组成包括：推力器本体、安装其上的聚光器、吸收腔、换热流道(螺旋型或直筒型)、出口喷管等，其结构图如图1所示。其中，高效的换热流道是太阳能热推力器实现高比冲的关键，可以提高工质进入喷管的温度，进而提高推进系统的比冲。现有技术中，换热流道通常为螺旋型或直筒型，其结构简单，易加工，但是换热效率较低，而且螺旋流道设计出来的长度较长，需要推力器的设计尺寸大，就增加了推进系统的质量，造成航天器的载荷负担，因此需要设计更加高效和小尺寸的换热结构。
另外，折射式二次聚光器是太阳能热推力器的重要部件，多选用蓝宝石单晶材料加工而成，吸收太阳光谱的能量少，单晶材料对于所有波长小于或等于5μm的太阳光谱来讲，理论上是透明的，即无吸收损失；波长大于5μm的太阳 光谱将被单晶材料吸收。然而，太阳能热推力器工作时，吸收腔变成了高温热源，聚光器对该波长的热源吸收率很高，使聚光器受热不均匀容易破裂，需要采取适当冷却措施。鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是基于再生冷却和层板技术，提出一种高效率高比冲的太阳能热推力器。本发明技术方案如下：
一种太阳能热推力器，包括推力器本体4、以及依次固定其上的层板换热芯14、吸收器1、均布套管3及聚光器2等，如图2所示；
吸收器1为回旋体结构，上部为分流腔，下部为吸收腔，吸收腔内径不大于分流腔内径；
优选的，吸收器1为直筒型；
聚光器2为折射式二次聚光器，上部为球面、中部为回旋体、下部为三棱锥结构，固定在吸收器1上，球面部分为迎光面，聚光器2中部套入均布套管3中，聚光器2下部套入吸收器1吸收腔内；
聚光器2多选用蓝宝石单晶材料，结构如图4所示，材料及结构为本领域公知，无其它特别说明；
均布套管3为圆筒型中空构造，固定在吸收器1分流腔，均布套管3内壁设置若干分流孔；推进剂入口设置于均布套筒3外壁上部，推进剂经均布套管3由分流孔进入分流腔；
为实现推进剂在分流腔的均布分流，优选的，分流孔的设置为均布设置，更优选的，为均匀轴对称分布；
为有效降低吸收器1吸收腔内壁对太阳光的反射，更好地提高吸收腔内壁对太阳辐射的吸收率，优选的，吸收腔内壁采用横向螺纹状表面，更优选的，还可通过光谱选择性吸收涂层设计和表面织构化，更有效地提高选择性捕集太阳能的吸热效率；
已发现有过渡族金属和半导体材料具有本征的选择性太阳吸收性质，HfC(碳化铪)在太阳光谱区吸收率很高，HfC的熔点很高，因此可以作为高温下的太阳辐射吸收表面；此外，表面织构化是获得选择性捕集太阳能的一项有效技术，合适的织构表面相对太阳波长是粗糙的，因而能吸收更多的太阳能，比如，把表面褶皱成一系列“V”字型就可以把太阳吸收率增加到接近1，采用线网、沟槽、在机械粗糙化的表面上电沉积涂层，在部分真空下蒸发半导体，用溅射和CVD粗化表面等都可使表面织构化而加强对太阳的吸收；
层板换热芯14为圆筒型层板结构，类似翅片式散热器结构，同轴环绕设置在吸收器1吸收腔外，其中：沿内壁轴向均匀设置槽，称之为集气流道，径向的层板空间为散布流道，在散布流道与集气流道之间设置小孔11，称之为控制流道；
推进剂通过吸收腔底端的开口，沿吸收腔外壁槽道12，流入层板换热芯14的散布流道，再经控制流道进入集气流道，汇集于推力器本体4的集气腔13，经喷管排出。
各部件之间的连接方式可以采用螺纹连接，密封可采用石墨垫圈，均为本领域通用技术手段。
与现有技术的太阳能热推力器相比，本发明换热芯采用了层板微流道结构，通过分流的方式，增大工质与推力室高温壁面的换热面积，提高换热通道内的 对流换热效果，使工质在推力室内得到充分加热，一方面减小了流道的尺寸，另一方面提高了换热效率；
为减少层板换热芯层板之间由表面粗糙度所致的缝隙泄漏，优选的，层板采用整体加工成型。
推进剂进入推力器之后，首先流过一个多孔套筒3实现均布分流，从而使二次聚光器2周围的气体流动和温度分布均匀，推进剂经过套筒之后进入吸收器1的吸收腔，在该区域，低温的推进剂对高温的二次聚光器起到了很好的冷却作用，同时收集废热以升高推进剂自身的温度，提高了系统对太阳能的利用效率，起到了再生冷却的效果，最后推进剂通过吸收腔底端的开口，沿吸收腔外壁槽道12，流入层板换热芯14的散布流道，再经控制流道进入集气流道，汇集于推力器本体4的集气腔13，经喷管排出。
本发明的高效率高比冲的太阳能热推力器的优点在于：
1)再生冷却设计能降低聚光器表面的温度，防止出现热应力集中甚至破裂，同时对推进剂进行预热，提高系统对太阳能的利用率；
2)提出的层板换热芯设计方案换热效率要优于常用的螺旋流道设计，与再生冷却设计相结合，实现推力器的高效率和高比冲。
附图说明
图1为现有技术的太阳能热推力器结构示意图
图2为显示推进剂入口的太阳能推力器剖面结构示意图
图3为本发明剖面三维图
图4为本发明剖面局部放大图
图5为本发明层板换热芯剖面结构示意图
图例说明：
1-吸收器；
2-聚光器；
3-均布套筒；
4-推力器本体；
5-喷管；
6-聚光器压盖；
7-螺母；
8-螺栓；
9-隔热套筒；
10-石墨垫圈；
11-孔；
12-吸收腔外壁槽道；
13-集气腔；
14-层板换热芯；
15-换热芯压壳；
16-压紧装置；
17-聚光器保护盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是， 对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
一种太阳能热推力器，包括推力器本体4、以及依次固定其上的层板换热芯14、吸收器1、均布套管3及聚光器2等，如图2所示；推力器的立体剖面图如图3所示，层板换热芯部分的局部放大图如图4所示。
聚光器2为折射式二次聚光器，选用蓝宝石单晶材料，其上部为球面、中部为回旋体、下部为三棱锥结构，固定在推力器本体1上，球面部分为迎光面，聚光器2中部套入均布套管3的分流腔，聚光器2下部套入吸收器1的吸收腔内；
均布套管3为圆筒型中空回旋体构造，其内壁之间部分为分流腔，均布套管3内壁均匀设置分流孔，本实施例对称设置4行，每行均匀分布12个孔，孔径0.6mm；推进剂入口设置于均布套筒3外壁上部，推进剂经均布套管3由分流孔进入分流腔；
吸收腔为圆筒型，内径22mm，小于分流腔的内径40mm，吸收腔内壁采用横向螺纹状表面，螺距2.5mm；
层板换热芯14为圆筒型回旋体，由散布流道，控制流道和集气流道组成，同轴环绕设置在吸收腔外：其中，集气流道由8条沿轴向均匀分布于内壁上的槽组成，散布流道由外壁上的层板结构组成，是为高效加热区，散布流道和集气流道之间由控制流道连接，控制流道由数个圆柱形通道组成；层板换热芯14为多层板状结构，通过换热芯压壳15和压紧装置16下与吸收器1及推力器本体4紧密相连；
具体连接方式上，吸收器1通过螺栓与聚光器压盖6连接，二者之间通过上下两个石墨垫圈10将折射式二次聚光器2密封，聚光器压盖6外部螺栓连接 的聚光器保护盖17，聚光器2和吸收器1之间有均布套筒3，吸收器1与推力器本体4通过螺栓连接，连接面通过石墨垫圈10密封；压紧装置16与隔热套筒通过螺纹连接，压紧装置内部为内六角便于操作，喷管5与推力器本体4通过螺纹连接，喷管出口外部为外六角形状，隔热套筒9与聚光器保护盖17通过螺栓连接，对整个推力器结构起到隔热作用。
与现有技术的太阳能热推力器相比，本发明换热芯采用了层板微流道结构，通过分流的方式，增大工质与推力室高温壁面的换热面积，提高换热通道内的对流换热效果，使工质在推力室内得到充分加热，一方面减小了流道的尺寸，另一方面提高了换热效率。
推进剂进入推力器之后，首先流过一个多孔均布套筒3实现均布分流，从而使二次聚光器1周围的气体流动和温度分布均匀，推进剂经过套筒之后进入吸收器1下部的吸收腔，通过吸收腔底端的开口经过一个曲折流道，分别流经换热芯压壳15和压紧装置16，进入层板高效换热芯14并最终从喷管5排出产生推力。吸收器1内侧的高效率吸收腔通过特殊的横向螺纹状表面，有效降低内筒内壁对太阳光的反射。
推力器的换热芯14采用了层板微流道结构，通过分流的方式，增大工质与推力室高温壁面的换热面积，提高换热通道内的对流换热效果，使工质在推力室内得到充分加热。换热芯的结构图如图5所示，由散布流道，控制流道和集气流道组成，层板数量设计为20层，采用整体加工成型，而不采用多层叠加扩散焊焊接的方法，这样就避免了层与层之间由表面粗糙度所带来的缝隙泄漏，单层层板设计厚度1mm，控制流道直径0.1mm，层板内、外径分别为28mm和46mm，层板的径向长度为9mm，控制流道长度0.5mm，工质进入换热芯散布流道，经过 不断加热升温后，经过控制流道截流后，进入纵向的集气流道，可替换喷管设计为与推力室螺纹连接，可根据不同的工况选择不同的喷管。
Claims (8)
1.一种太阳能热推力器，包括推力器本体(4)、以及依次固定其上的层板换热芯(14)、吸收器(1)、均布套管(3)及聚光器(2)等，其中：
吸收器(1)为回旋体结构，上部为分流腔，下部为吸收腔，吸收腔内径不大于分流腔内径；
聚光器(2)为折射式二次聚光器，上部为球面、中部为回旋体、下部为三棱锥结构，固定在吸收器(1)上，球面部分为迎光面，聚光器(2)中部套入均布套管(3)中，聚光器(2)下部套入吸收器(1)吸收腔内；
均布套管(3)为圆筒型中空构造，固定在吸收器(1)分流腔，均布套管(3)内壁设置若干分流孔；推进剂入口设置于均布套筒(3)外壁上部，推进剂经均布套管(3)由分流孔进入分流腔；
层板换热芯(14)为圆筒型层板结构，类似翅片式散热器结构，同轴环绕设置在吸收器(1)吸收腔外，其中：沿内壁轴向均匀设置槽，称之为集气流道，径向的层板空间为散布流道，在散布流道与集气流道之间设置小孔(11)，称之为控制流道；
推进剂通过吸收腔底端的开口，沿吸收腔外壁槽道(12)，流入层板换热芯(14)的散布流道，再经控制流道进入集气流道，汇集于推力器本体(4)的集气腔(13)，经喷管排出。
2.权利要求1所述一种太阳能热推力器，其特征在于：吸收器(1)为直筒型。
3.权利要求1或2所述一种太阳能热推力器，其特征在于：分流孔的设置为均布设置。
4.权利要求3所述一种太阳能热推力器，其特征在于：分流孔的设置为均匀轴对称分布。
5.权利要求1或2所述一种太阳能热推力器，其特征在于：吸收腔内壁采用横向螺纹状表面。
6.权利要求1或2所述一种太阳能热推力器，其特征在于：吸收腔内壁通过光谱选择性吸收涂层设计和表面织构化。
7.权利要求3所述一种太阳能热推力器，其特征在于：吸收腔内壁采用横向螺纹状表面。
8.权利要求3所述一种太阳能热推力器，其特征在于：吸收腔内壁通过光谱选择性吸收涂层设计和表面织构化。
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