一種太陽(yáng)能熱推力器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種高效率高比沖太陽(yáng)能熱推力器，屬于航天器空間推進(jìn)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用了二次聚光器再生冷卻技術(shù)和層板加熱高效換熱芯技術(shù)，既預(yù)熱推進(jìn)劑且防止二次聚光器出現(xiàn)熱應(yīng)力集中導(dǎo)致破裂，通過(guò)層板加熱高效換熱提高了系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用率。本發(fā)明可在同樣的太陽(yáng)能入射功率情況下，增大太陽(yáng)能熱推力器對(duì)推進(jìn)劑的加熱效率，提高推進(jìn)劑的加熱溫度，具有高效率高比沖的特性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種太陽(yáng)能熱推力器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器空間推進(jìn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種新型的高效率高比沖太陽(yáng)能熱推力器。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能熱推進(jìn)技術(shù)利用推進(jìn)劑從熱源吸收熱來(lái)產(chǎn)生高溫氣體，通過(guò)氣動(dòng)噴管膨脹噴射產(chǎn)生推力，該技術(shù)采用小分子量氣體(如氫氣)作為推進(jìn)劑，可以獲取600?900s的高比沖，是空間推進(jìn)的重要發(fā)展方向。太陽(yáng)能熱推進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上面級(jí)推進(jìn)和軌道機(jī)動(dòng)飛行器的空間主推進(jìn)，特別應(yīng)用于衛(wèi)星的軌道快速機(jī)動(dòng)。
[0003]現(xiàn)有太陽(yáng)能熱推力器的組成包括:推力器本體、安裝其上的聚光器、吸收腔、換熱流道(螺旋型或直筒型)、出口噴管等，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，高效的換熱流道是太陽(yáng)能熱推力器實(shí)現(xiàn)聞比沖的關(guān)鍵，可以提聞工質(zhì)進(jìn)入噴管的溫度，進(jìn)而提聞推進(jìn)系統(tǒng)的比沖?，F(xiàn)有技術(shù)中，換熱流道通常為螺旋型或直筒型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，但是換熱效率較低，而且螺旋流道設(shè)計(jì)出來(lái)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要推力器的設(shè)計(jì)尺寸大，就增加了推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量，造成航天器的載荷負(fù)擔(dān)，因此需要設(shè)計(jì)更加高效和小尺寸的換熱結(jié)構(gòu)。
[0004]另外，折射式二次聚光器是太陽(yáng)能熱推力器的重要部件，多選用藍(lán)寶石單晶材料加工而成，吸收太陽(yáng)光譜的能量少，單晶材料對(duì)于所有波長(zhǎng)小于或等于5 μ m的太陽(yáng)光譜來(lái)講，理論上是透明的，即無(wú)吸收損失；波長(zhǎng)大于5μπι的太陽(yáng)光譜將被單晶材料吸收。然而，太陽(yáng)能熱推力器工作時(shí)，吸收腔變成了高溫?zé)嵩?，聚光器?duì)該波長(zhǎng)的熱源吸收率很高，使聚光器受熱不均勻容易破裂，需要采取適當(dāng)冷卻措施。鑒于此，克服上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷是本【技術(shù)領(lǐng)域】亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是基于再生冷卻和層板技術(shù)，提出一種高效率高比沖的太陽(yáng)能熱推力器。本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0006]一種太陽(yáng)能熱推力器，包括推力器本體4、以及依次固定其上的層板換熱芯14、吸收器1、均布套管3及聚光器2等，如圖2所示；
[0007]吸收器I為回旋體結(jié)構(gòu)，上部為分流腔，下部為吸收腔，吸收腔內(nèi)徑不大于分流腔內(nèi)徑；
[0008]優(yōu)選的，吸收器I為直筒型；
[0009]聚光器2為折射式二次聚光器，上部為球面、中部為回旋體、下部為三棱錐結(jié)構(gòu)，固定在吸收器I上，球面部分為迎光面，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I吸收腔內(nèi)；
[0010]聚光器2多選用藍(lán)寶石單晶材料，結(jié)構(gòu)如圖4所示，材料及結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域公知，無(wú)其它特別說(shuō)明；
[0011]均布套管3為圓筒型中空構(gòu)造，固定在吸收器I分流腔，均布套管3內(nèi)壁設(shè)置若干分流孔；推進(jìn)劑入口設(shè)置于均布套筒3外壁上部，推進(jìn)劑經(jīng)均布套管3由分流孔進(jìn)入分流腔；
[0012]為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑在分流腔的均布分流，優(yōu)選的，分流孔的設(shè)置為均布設(shè)置，更優(yōu)選的，為均勻軸對(duì)稱(chēng)分布；
[0013]為有效降低吸收器I吸收腔內(nèi)壁對(duì)太陽(yáng)光的反射，更好地提高吸收腔內(nèi)壁對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，優(yōu)選的，吸收腔內(nèi)壁采用橫向螺紋狀表面，更優(yōu)選的，還可通過(guò)光譜選擇性吸收涂層設(shè)計(jì)和表面織構(gòu)化，更有效地提高選擇性捕集太陽(yáng)能的吸熱效率；
[0014]已發(fā)現(xiàn)有過(guò)渡族金屬和半導(dǎo)體材料具有本征的選擇性太陽(yáng)吸收性質(zhì)，HfC(碳化鉿)在太陽(yáng)光譜區(qū)吸收率很高，HfC的熔點(diǎn)很高，因此可以作為高溫下的太陽(yáng)輻射吸收表面；此外，表面織構(gòu)化是獲得選擇性捕集太陽(yáng)能的一項(xiàng)有效技術(shù)，合適的織構(gòu)表面相對(duì)太陽(yáng)波長(zhǎng)是粗糙的，因而能吸收更多的太陽(yáng)能，比如，把表面褶皺成一系列“V”字型就可以把太陽(yáng)吸收率增加到接近1，采用線網(wǎng)、溝槽、在機(jī)械粗糙化的表面上電沉積涂層，在部分真空下蒸發(fā)半導(dǎo)體，用濺射和CVD粗化表面等都可使表面織構(gòu)化而加強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)的吸收；
[0015]層板換熱芯14為圓筒型層板結(jié)構(gòu)，類(lèi)似翅片式散熱器結(jié)構(gòu)，同軸環(huán)繞設(shè)置在吸收器I吸收腔外，其中:沿內(nèi)壁軸向均勻設(shè)置槽，稱(chēng)之為集氣流道，徑向的層板空間為散布流道，在散布流道與集氣流道之間設(shè)置小孔11，稱(chēng)之為控制流道；
[0016]推進(jìn)劑通過(guò)吸收腔底端的開(kāi)口，沿吸收腔外壁槽道12，流入層板換熱芯14的散布流道，再經(jīng)控制流道進(jìn)入集氣流道，匯集于推力器本體4的集氣腔13，經(jīng)噴管排出。
[0017]各部件之間的連接方式可以采用螺紋連接，密封可采用石墨墊圈，均為本領(lǐng)域通用技術(shù)手段。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)的太陽(yáng)能熱推力器相比，本發(fā)明換熱芯采用了層板微流道結(jié)構(gòu)，通過(guò)分流的方式，增大工質(zhì)與推力室高溫壁面的換熱面積，提高換熱通道內(nèi)的對(duì)流換熱效果，使工質(zhì)在推力室內(nèi)得到充分加熱，一方面減小了流道的尺寸，另一方面提高了換熱效率；
[0019]為減少層板換熱芯層板之間由表面粗糙度所致的縫隙泄漏，優(yōu)選的，層板采用整體加工成型。
[0020]推進(jìn)劑進(jìn)入推力器之后，首先流過(guò)一個(gè)多孔套筒3實(shí)現(xiàn)均布分流，從而使二次聚光器2周?chē)臍怏w流動(dòng)和溫度分布均勻，推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)套筒之后進(jìn)入吸收器I的吸收腔，在該區(qū)域，低溫的推進(jìn)劑對(duì)高溫的二次聚光器起到了很好的冷卻作用，同時(shí)收集廢熱以升高推進(jìn)劑自身的溫度，提高了系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用效率，起到了再生冷卻的效果，最后推進(jìn)劑通過(guò)吸收腔底端的開(kāi)口，沿吸收腔外壁槽道12，流入層板換熱芯14的散布流道，再經(jīng)控制流道進(jìn)入集氣流道，匯集于推力器本體4的集氣腔13，經(jīng)噴管排出。
[0021]本發(fā)明的高效率高比沖的太陽(yáng)能熱推力器的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]I)再生冷卻設(shè)計(jì)能降低聚光器表面的溫度，防止出現(xiàn)熱應(yīng)力集中甚至破裂，同時(shí)對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行預(yù)熱，提高系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用率；
[0023]2)提出的層板換熱芯設(shè)計(jì)方案換熱效率要優(yōu)于常用的螺旋流道設(shè)計(jì)，與再生冷卻設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)推力器的高效率和高比沖。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的太陽(yáng)能熱推力器結(jié)構(gòu)示意圖[0025]圖2為顯示推進(jìn)劑入口的太陽(yáng)能推力器剖面結(jié)構(gòu)示意圖
[0026]圖3為本發(fā)明剖面三維圖
[0027]圖4為本發(fā)明剖面局部放大圖
[0028]圖5為本發(fā)明層板換熱芯剖面結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖例說(shuō)明:
[0030]1-吸收器；
[0031]2-聚光器；
[0032]3-均布套筒；
[0033]4-推力器本體；
[0034]5-噴管；
[0035]6-聚光器壓蓋；
[0036]7-螺母；
[0037]8-螺栓；
[0038]9-隔熱套筒；
[0039]10-石墨墊圈；
[0040]11-孔；
[0041]12-吸收腔外壁槽道；
[0042]13-集氣腔；
[0043]14-層板換熱芯；
[0044]15-換熱芯壓殼；
[0045]16-壓緊裝置；
[0046]17-聚光器保護(hù)蓋。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
[0048]一種太陽(yáng)能熱推力器，包括推力器本體4、以及依次固定其上的層板換熱芯14、吸收器1、均布套管3及聚光器2等，如圖2所示；推力器的立體剖面圖如圖3所示，層板換熱芯部分的局部放大圖如圖4所示。
[0049]聚光器2為折射式二次聚光器，選用藍(lán)寶石單晶材料，其上部為球面、中部為回旋體、下部為三棱錐結(jié)構(gòu)，固定在推力器本體I上，球面部分為迎光面，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I的吸收腔內(nèi)；
[0050]均布套管3為圓筒型中空回旋體構(gòu)造，其內(nèi)壁之間部分為分流腔，均布套管3內(nèi)壁均勻設(shè)置分流孔，本實(shí)施例對(duì)稱(chēng)設(shè)置4行，每行均勻分布12個(gè)孔，孔徑0.6mm ;推進(jìn)劑入口設(shè)置于均布套筒3外壁上部，推進(jìn)劑經(jīng)均布套管3由分流孔進(jìn)入分流腔；
[0051]吸收腔為圓筒型，內(nèi)徑22mm，小于分流腔的內(nèi)徑40mm，吸收腔內(nèi)壁采用橫向螺紋狀表面,螺距2.5mm ；
[0052]層板換熱芯14為圓筒型回旋體，由散布流道，控制流道和集氣流道組成，同軸環(huán)繞設(shè)置在吸收腔外:其中，集氣流道由8條沿軸向均勻分布于內(nèi)壁上的槽組成，散布流道由外壁上的層板結(jié)構(gòu)組成，是為高效加熱區(qū)，散布流道和集氣流道之間由控制流道連接，控制流道由數(shù)個(gè)圓柱形通道組成；層板換熱芯14為多層板狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)換熱芯壓殼15和壓緊裝置16下與吸收器I及推力器本體4緊密相連；
[0053]具體連接方式上，吸收器I通過(guò)螺栓與聚光器壓蓋6連接，二者之間通過(guò)上下兩個(gè)石墨墊圈10將折射式二次聚光器2密封，聚光器壓蓋6外部螺栓連接的聚光器保護(hù)蓋17，聚光器2和吸收器I之間有均布套筒3，吸收器I與推力器本體4通過(guò)螺栓連接，連接面通過(guò)石墨墊圈10密封；壓緊裝置16與隔熱套筒通過(guò)螺紋連接，壓緊裝置內(nèi)部為內(nèi)六角便于操作，噴管5與推力器本體4通過(guò)螺紋連接，噴管出口外部為外六角形狀，隔熱套筒9與聚光器保護(hù)蓋17通過(guò)螺栓連接，對(duì)整個(gè)推力器結(jié)構(gòu)起到隔熱作用。
[0054]與現(xiàn)有技術(shù)的太陽(yáng)能熱推力器相比，本發(fā)明換熱芯采用了層板微流道結(jié)構(gòu)，通過(guò)分流的方式，增大工質(zhì)與推力室高溫壁面的換熱面積，提高換熱通道內(nèi)的對(duì)流換熱效果，使工質(zhì)在推力室內(nèi)得到充分加熱，一方面減小了流道的尺寸，另一方面提高了換熱效率。
[0055]推進(jìn)劑進(jìn)入推力器之后，首先流過(guò)一個(gè)多孔均布套筒3實(shí)現(xiàn)均布分流，從而使二次聚光器I周?chē)臍怏w流動(dòng)和溫度分布均勻，推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)套筒之后進(jìn)入吸收器I下部的吸收腔，通過(guò)吸收腔底端的開(kāi)口經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折流道，分別流經(jīng)換熱芯壓殼15和壓緊裝置16，進(jìn)入層板高效換熱芯14并最終從噴管5排出產(chǎn)生推力。吸收器I內(nèi)側(cè)的高效率吸收腔通過(guò)特殊的橫向螺紋狀表面，有效降低內(nèi)筒內(nèi)壁對(duì)太陽(yáng)光的反射。
[0056]推力器的換熱芯14采用了層板微流道結(jié)構(gòu)，通過(guò)分流的方式，增大工質(zhì)與推力室高溫壁面的換熱面積，提高換熱通道內(nèi)的對(duì)流換熱效果，使工質(zhì)在推力室內(nèi)得到充分加熱。換熱芯的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，由散布流道，控制流道和集氣流道組成，層板數(shù)量設(shè)計(jì)為20層，采用整體加工成型，而不采用多層疊加擴(kuò)散焊焊接的方法，這樣就避免了層與層之間由表面粗糙度所帶來(lái)的縫隙泄漏，單層層板設(shè)計(jì)厚度1mm，控制流道直徑0.1mm，層板內(nèi)、外徑分別為28mm和46mm,層板的徑向長(zhǎng)度為9mm,控制流道長(zhǎng)度0.5mm,工質(zhì)進(jìn)入換熱芯散布流道，經(jīng)過(guò)不斷加熱升溫后，經(jīng)過(guò)控制流道截流后，進(jìn)入縱向的集氣流道，可替換噴管設(shè)計(jì)為與推力室螺紋連接，可根據(jù)不同的工況選擇不同的噴管。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽(yáng)能熱推力器，包括推力器本體(4)、以及依次固定其上的層板換熱芯(14)、吸收器(I)、均布套管(3)及聚光器(2)等，其中: 吸收器(I)為回旋體結(jié)構(gòu)，上部為分流腔，下部為吸收腔，吸收腔內(nèi)徑不大于分流腔內(nèi)徑; 聚光器(2)為折射式二次聚光器，上部為球面、中部為回旋體、下部為三棱錐結(jié)構(gòu)，固定在吸收器(I)上，球面部分為迎光面，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(I)吸收腔內(nèi)； 均布套管(3)為圓筒型中空構(gòu)造，固定在吸收器(I)分流腔，均布套管(3)內(nèi)壁設(shè)置若干分流孔；推進(jìn)劑入口設(shè)置于均布套筒(3)外壁上部，推進(jìn)劑經(jīng)均布套管(3)由分流孔進(jìn)入分流腔； 層板換熱芯(14)為圓筒型層板結(jié)構(gòu)，類(lèi)似翅片式散熱器結(jié)構(gòu)，同軸環(huán)繞設(shè)置在吸收器(I)吸收腔外，其中:沿內(nèi)壁軸向均勻設(shè)置槽，稱(chēng)之為集氣流道，徑向的層板空間為散布流道，在散布流道與集氣流道之間設(shè)置小孔(11)，稱(chēng)之為控制流道； 推進(jìn)劑通過(guò)吸收腔底端的開(kāi)口，沿吸收腔外壁槽道(12)，流入層板換熱芯(14)的散布流道，再經(jīng)控制流道進(jìn)入集氣流道，匯集于推力器本體(4)的集氣腔(13)，經(jīng)噴管排出。
2.權(quán)利要求1所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:吸收器(I)為直筒型。
3.權(quán)利要求1或2所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:分流孔的設(shè)置為均布設(shè)置。
4.權(quán)利要求3所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:分流孔的設(shè)置為均勻軸對(duì)稱(chēng)分布。
5.權(quán)利要求1或2所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:吸收腔內(nèi)壁采用橫向螺紋狀表面。
6.權(quán)利要求1或2所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:吸收腔內(nèi)壁通過(guò)光譜選擇性吸收涂層設(shè)計(jì)和表面織構(gòu)化。
7.權(quán)利要求3所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:吸收腔內(nèi)壁采用橫向螺紋狀表面。
8.權(quán)利要求3所述一種太陽(yáng)能熱推力器，其特征在于:吸收腔內(nèi)壁通過(guò)光譜選擇性吸收涂層設(shè)計(jì)和表面織構(gòu)化。
【文檔編號(hào)】F03G6/06GK104005923SQ201410202806
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】黃敏超, 程謀森, 邢寶玉 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)