稀薄气体相变增压电热推进技术研究

摘要

空间活动能力体现了一个国家的科技水平和综合国力，在各种空间探测活动中，推进技术和系统首当其冲，每一次空间活动的突破都依靠推进技术的发展和进步。发展临近空间平台、实现火星机动探测等稀薄气体环境下的空间探测任务和活动是目前国内外研究的热点方向，新的空间探测活动对推进系统提出了更高的技术要求。空间探测活动所需推进系统种类繁多，目前可供采用的空间推进技术有限，需要携带工质，常规化学推进技术很难满足未来空间探测活动需求；业以成熟的活塞、涡喷等吸气式推进技术不适合在稀薄大气环境下运行。本文针对临近空间和火星等目标空域，提出了一种适合于稀薄大气环境运行的新概念推进技术，围绕提出的新概念推进技术开展基础探索研究。主要研究内容如下：
　　首先，稀薄气体相变增压电热推进技术的提出。分析了临近空间和火星等环境特点和探测任务活动，指出常规化学推进技术应用于稀薄大气环境下存在的问题；详细介绍了空间探测“就地资源利用”的理念和优势，分析了稀薄大气环境下“就地资源利用”的技术难点和解决途径，在此基础上提出了一种新概念推进技术——稀薄气体相变增压电热推进。新概念推进技术的核心是：以目标空间稀薄大气为工质，解决工质携带问题；利用相变方法实现稀薄气体超高压比增压。新型推进系统采用喷管推进，具有响应快、结构简单和布置灵活等优点；同时捕获工质以液体或气体储存，可供飞行器推进或其它用途，具有高的综合利用价值。同时分析了稀薄气体相变增压电热推进系统各组成功能环节的特点及实现方式，给出了新型推进系统方案的选择依据。
　　其次，开展了临近空间环境下稀薄空气相变增压电热推进系统循环研究。针对临近空间及稀薄空气气相变增压的特点，给出了临近空间相变增压电热推进系统的初步方案。定义了性能评价指标，利用热力学方法进行了新型推进系统的循环分析，分析了循环参数对系统性能的影响，探讨了系统的性能潜力。考虑到稀薄空气相变增压电热推进系统为空气动力循环和制冷循环的复合循环，系统流程存在多种选择，故需要热力完善度高的系统流程，以发挥新型推进系统的优势。分析对比了不同稀薄空气冷凝液化捕获流程，在系统核心制冷循环形式确定的前提下，研究了循环形式和参数对新型推进系统性能的影响，给出了稀薄空气相变增压电热推进系统的优化循环流程及循环参数的影响规律。
　　再次，对稀薄空气相变增压电热推进系统的运行进行了研究。建立了平流层飞艇总参数分析模型，分析给出了环境、运行等参数对飞艇总参数的影响规律，讨论了临近空间飞艇平台需优先发展的技术领域。分析了临近空间大气扰动风场特性，给出了扰动风场作用下飞艇的阻力特性。分析指出稀薄空气相变增压电热推进系统适合作为临近空间飞艇平台的辅助推进，用于任务快速机动和姿控等。在此基础上，分析给出了稀薄空气相变增压电热推进系统的运行控制策略，开展了相变增压电热推进系统运行参数的节能优化运行控制研究，给出了系统优化运行过程中电加热温度等可控运行参数的选取原则和规律。
　　最后，开展了火星环境下相变增压电热推进系统的应用探索研究。对比分析了目前火星表面推进系统存在问题，提出了火星稀薄气体相变增压电热推进系统的实现方案：CO2热火箭推进系统。开展了火星CO2热火箭推进系统的循环分析，分析了循环参数对系统性能的影响。开展了基于CO2/Mg火箭推进和CO2热火箭推进的火星Hopper飞行器探测任务研究，分析给出了环境、任务和技术等参数对Hopper飞行器探测任务的影响，指出CO2热火箭推进系统的优势和应用前景。针对火星探测Hopper飞行器，火箭推进效率低下的问题，提出了带引射喷管的火箭推进系统，研究了带引射喷管火箭推进系统的推力增益及质量惩罚对火星探测任务活动的影响，研究表明利用带引射喷管火箭推进系统能够增强Hopper飞行器表面探测能力。

目录

稀薄气体相变增压电热推进技术研究

摘 要

Abstract

主要符号表

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 课题的研究现状

1.2.1 稀薄大气环境空间探测及其推进系统研究现状

1.2.2 气体液化循环研究现状

1.2.3 热力循环及总能系统研究现状

1.2.4 储能系统运行优化研究现状

1.3 本文的研究内容及章节安排

第2章 稀薄气体相变增压电热推进系统的提出及分析

2.1 引言

2.2 稀薄气体环境空间探测推进系统存在的问题

2.3 基于ISRU 空间探测稀薄气体相变增压电热推进系统的提出

2.3.1 空间探测就地资源利用(ISRU)

2.3.2 稀薄气体环境ISRU 推进技术的构思方向及其核心问题

2.3.3 空间探测稀薄大气相变增压电热推进系统的提出

2.4 稀薄气体相变增压电热推进系统的原理及分析

2.4.1 稀薄气体相变增压电热推进系统技术特点

2.4.2 稀薄气体相变增压电热推进系统组成分析

2.4.3 稀薄气体相变增压电热推进系统方案分析

2.5 本章小结

第3章 稀薄空气相变增压电热推进系统循环研究

3.1 引言

3.2 稀薄空气相变增压电热推进系统的初步方案

3.2.1 临近空间环境特点

3.2.2 临近空间稀薄空气相变过程分析

3.2.3 稀薄空气相变增压电热推进系统的一种初步方案

3.3 稀薄空气相变增压电热推进系统热力学分析

3.3.1 相变增压电热推进系统热力过程

3.3.2 相变增压电热推进系统性能评价指标

3.3.3 相变增压电热推进系统性能分析

3.4 稀薄空气冷凝液化捕获流程分析

3.4.1 稀薄空气冷凝液化捕获基本流程

3.4.2 稀薄空气捕获流程对比

3.5 稀薄空气相变增压电热推进系统耦合循环方案

3.5.1 相变增压电热推进系统耦合循环热力过程

3.5.2 相变增压电热推进系统的能量回收利用

3.5.3 相变增压电热推进系统能量综合利用耦合循环方案

3.6 耦合方案的模拟计算和对比分析

3.6.1 预增压比对相变增压电热推进系统耦合循环性能的影响

3.6.2 系统终压对相变增压电热推进系统耦合循环性能的影响

3.6.3 系统终温对相变增压电热推进系统耦合循环性能的影响

3.6.4 制冷循环参数对相变增压电热推进系统耦合循环性能的影响

3.6.5 方案对比分析

3.7 本章小结

第4章 稀薄空气相变增压电热推进系统运行优化控制

4.1 引言

4.2 平流层飞艇总体参数分析

4.2.1 平流层飞艇总体参数分析方法

4.2.2 平流层飞艇总体参数敏感性分析

4.2.3 技术进步对平流层飞艇总体参数的影响

4.3 大气扰动对平流层飞艇推力需求的影响

4.3.1 临近空间大气扰动

4.3.2 临近空间大气扰动风场模型

4.3.3 扰动风场下平流层飞艇推力需求

4.4 稀薄空气相变增压电热推进系统运行过程分析

4.4.1 相变增压电热推进系统运行控制策略

4.4.2 相变增压电热推进系统运行控制流程

4.4.3 相变增压电热推进系统运行过程仿真分析

4.5 稀薄空气相变增压电热推进系统运行优化仿真研究

4.5.1 相变增压电热推进系统可控运行参数及其仿真分析

4.5.2 相变增压电热推进系统运行优化模型

4.5.3 相变增压电热推进系统运行优化仿真结果分析

4.6 本章小结

第5章 火星环境下稀薄气体相变增压电热推进技术应用研究

5.1 引言

5.2 火星CO2 相变增压电热推进方案及循环分析

5.2.1 就地资源利用火星CO2 相变增压电热推进方案

5.2.2 火星CO2 相变增压电热推进系统热力过程分析

5.2.3 火星CO2 相变增压电热推进系统循环仿真分析

5.3 基于CO2/Mg 火箭推进的Hopper 飞行器火星表面探测

5.3.1 基于CO2/Mg 推进的Hopper 飞行器及运行描述

5.3.2 基于CO2/Mg 火箭推进Hopper 飞行器探测任务分析模型

5.3.3 基于CO2/Mg 火箭推进Hopper 飞行器探测任务设计分析

5.4 基于CO2 相变增压电热推进的Hopper 飞行器火星表面探测

5.4.1 基于CO2 相变增压电热推进Hopper 飞行器及运行描述

5.4.2 基于CO2 相变增压电热推进Hopper 飞行器探测任务分析模型

5.4.3 基于CO2 相变增压电热推进Hopper 飞行器探测任务设计分析

5.4.4 CO2 相变增压电热推进和CO2/Mg 火箭推进的对比分析

5.5 带引射喷管火星火箭推进系统的提出及分析

5.5.1 火星Hopper 飞行器火箭推进存在的问题

5.5.2 带引射喷管火箭推进系统的提出

5.5.3 火星带引射喷管火箭推进系统性能分析

5.5.4 带引射喷管火箭推进的火星表面探测任务分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历