• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      微納衛(wèi)星水分解推進系統(tǒng)研究進展

      2019-01-10 08:38:50攸興杰耿金越盧國權(quán)劉旭輝安思穎
      載人航天 2018年6期
      關(guān)鍵詞:氫氧燃燒室推進劑

      攸興杰,沈 巖,2,3*,耿金越,盧國權(quán),劉旭輝,安思穎,南 柯

      (1. 北京控制工程研究所,北京 100094; 2. 北京市高效能及綠色宇航工程技術(shù)研究中心,北京 100094; 3.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室,北京 100094)

      1 引言

      20世紀80年代以來,微納衛(wèi)星技術(shù)朝著小型化、模塊化、高性能、高機動、快速研發(fā)的方向發(fā)展[1]。微納衛(wèi)星價格便宜,降低了衛(wèi)星應(yīng)用的門檻,應(yīng)用型微納衛(wèi)星的需求日益增大。與科學(xué)實驗型衛(wèi)星不同,應(yīng)用型微納衛(wèi)星必須具有推進系統(tǒng),以獲得軌道機動能力,延長在軌壽命。

      微納衛(wèi)星的質(zhì)量體積較小、功率有限,為了保證微納衛(wèi)星的平衡和控制精度,要求推進系統(tǒng)推力小而精確,重復(fù)性好,集成度高,質(zhì)量輕,功率小,可靠性好[2];同時微納衛(wèi)星設(shè)計模塊化的發(fā)展要求微納衛(wèi)星的零部件設(shè)計要有較寬的推力范圍,較大的Δv的范圍,較長的工作時間,容易和其他的系統(tǒng)相組合[2]。

      現(xiàn)有的單組元及冷氣推進系統(tǒng)的比沖較低;雙組元推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量較重,不容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成化;微電推進系統(tǒng)工作時需要有較大的瞬時電功率,而微納衛(wèi)星由于太陽能帆板面積較小,難以提供大的瞬時功率。傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的種種缺陷限制了它們在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用,必須根據(jù)需求設(shè)計新的推進系統(tǒng)。

      水分解推進系統(tǒng)利用星上富余電能,通過電解裝置電解水產(chǎn)生氫氧氣體,在恰當?shù)臅r機將氫氧氣體引入發(fā)動機點燃產(chǎn)生推力[3]。典型的水分解推進系統(tǒng)如圖1所示,主要由水儲箱、電解池、氣體儲箱以及發(fā)動機構(gòu)成。水儲箱的作用為存儲水;電解池將水電解為氫氣和氧氣作為發(fā)動機的燃料;氣體儲箱將氫氣和氧氣積累和存儲,以保證發(fā)動機工作時有足夠的預(yù)充壓力;氫氣和氧氣在發(fā)動機燃燒室中燃燒,尾氣噴出產(chǎn)生推力。

      圖1 典型的水分解推進系統(tǒng)Fig.1 Typical water electrolysis propulsion system

      本文從水分解推進系統(tǒng)的概念出發(fā),對水分解推進系統(tǒng)的優(yōu)勢和水分解推進系統(tǒng)的研究技術(shù)熱點進行調(diào)研,通過文獻調(diào)研和分析獲得國內(nèi)水分解推進系統(tǒng)的研究方向以及應(yīng)用前景。

      2 特點及優(yōu)勢

      水在常溫常壓下化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定,無毒無腐蝕性,徹底消除了衛(wèi)星發(fā)射過程微納衛(wèi)星對主載荷的潛在危害,也保證了裝配人員不會被有毒有害的推進劑毒害健康;還可以使衛(wèi)星實現(xiàn)預(yù)加注,減少了發(fā)射之前的工作量。氫氧氣體根據(jù)衛(wèi)星的應(yīng)用需求電解水產(chǎn)生,無需產(chǎn)生或攜帶高壓氣體,不需要減壓器,降低了系統(tǒng)的重量,避免高壓氣體帶來的安全性風險,同時降低推進系統(tǒng)的復(fù)雜度[4],使得水分解推進系統(tǒng)方便集成化。綜上所述,水分解推進系統(tǒng)質(zhì)量低、安全性高,可以在實現(xiàn)了推進系統(tǒng)無毒化的同時簡化衛(wèi)星發(fā)射工序。除以上優(yōu)點之外,相對于其他類型的推進系統(tǒng),水分解推進系統(tǒng)有以下優(yōu)點:

      1)水分解推進系統(tǒng)本質(zhì)為氫氧推進系統(tǒng),比沖遠高于冷氣推進系統(tǒng)。冷氣推進系統(tǒng)的推進劑一般儲存在高壓氣瓶中;水在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài),不需要高壓儲存,大大降低了儲箱的質(zhì)量。水分解推進系統(tǒng)相對于冷氣推進系統(tǒng)可以大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

      2)水分解推進系統(tǒng)的推進劑在流入發(fā)動機的時候為氣態(tài)的氫氣和氧氣,化學(xué)發(fā)動機的推進劑一般為液態(tài)。流入發(fā)動機的流體的質(zhì)量是通過控制流體的體積實現(xiàn)的,氣體密度遠低于液體,因此水分解推進系統(tǒng)產(chǎn)生的沖量精度比常規(guī)化學(xué)發(fā)動機高很多。水分解推進系統(tǒng)的比沖也比單組元推進系統(tǒng)更高[5-6]。為了保證姿軌控精度,質(zhì)量輕的微納衛(wèi)星,對每次點火產(chǎn)生的沖量精度要求高。水分解推進系統(tǒng)特別適合對沖量精度要求高的應(yīng)用型微納衛(wèi)星的需求。

      3)與電推進系統(tǒng)相比,水分解推進系統(tǒng)通過利用衛(wèi)星的富余能源產(chǎn)生燃料和氧化劑,不需要很大的瞬時功率,降低了對電功率的需求,衛(wèi)星可以配置更小的太陽能帆板,從而降低電源系統(tǒng)的質(zhì)量。

      3 關(guān)鍵技術(shù)研究進展

      微納衛(wèi)星水分解推進系統(tǒng)的研究方向主要包括水分解推進系統(tǒng)氣液分離方案研究、供氣方案設(shè)計研究以及水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機方案研究。

      3.1 氣液分離方案研究

      水分解推進系統(tǒng)的應(yīng)用場合影響水分解推進系統(tǒng)的氣液分離方案。衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定類型包括自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星。自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星由于衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生離心力而使密度不同的氣體和液體實現(xiàn)分離,三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星無法通過離心力實現(xiàn)氣液分離,一般通過靜態(tài)供水的方式實現(xiàn)氣液分離。

      國際上較為典型的應(yīng)用于自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星的水分解推進方案包括康奈爾大學(xué)Zeledon以及亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti等設(shè)計的方案。Zeledon設(shè)計的水分解推進方案如圖2所示[7]。3U的立方星繞z軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力,密度大的水會因離心力,沉在距離旋轉(zhuǎn)軸較遠的底部,密度小的氣體會浮在距離旋轉(zhuǎn)軸較近的頂部,從而實現(xiàn)氣液分離。Zeledon在設(shè)計完原理樣機之后對其水分解推進系統(tǒng)進行了測試,實測比沖為50 s,單次脈沖產(chǎn)生的沖量約為0.1 Nm,與預(yù)期相差較多[8],后未發(fā)現(xiàn)康奈爾大學(xué)更新報道。

      圖2 康奈爾大學(xué)Zeledon自旋衛(wèi)星示意圖[7]Fig.2 Spin stabilization satellite designed by Zeledon[7]

      亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti等設(shè)計的方案結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。該方案應(yīng)用于雙自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星,衛(wèi)星的下部分通過自旋實現(xiàn)氣液分離,上部分通過消旋軸實現(xiàn)電子艙和載荷艙消旋,從而保證電子和載荷艙空間姿態(tài)穩(wěn)定。Ramana Pothamsetti設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)研究成熟度亦較低,僅僅進行了少量的電解水研究,其他未見深入研究。

      圖3 雙自旋衛(wèi)星推進系統(tǒng)方案[9]Fig.3 Scheme of the propulsion system in dual-spin stabilization satellite[9]

      應(yīng)用于三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)方案較為典型的包括Tethers公司設(shè)計的HYDROS[5]以及德國斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]。三軸穩(wěn)定型的水分解推進系統(tǒng)一般通過靜態(tài)供水的方式給PEM電解器供水,從而實現(xiàn)氣液分離,電解產(chǎn)生的氣體為干燥的氫氣和氧氣。靜態(tài)供水的原理在PapaleWilliam等的綜述性文獻中已經(jīng)有了較為詳細的介紹[10],這里不再贅述。三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星市場需求大,針對其需求的水分解推進系統(tǒng)成熟度較高。2013年,Tethers公司HYDROS工程樣機的研制,初步測試表明HYDROS可以產(chǎn)生300~600 mN的推力[11],比沖約為258 s[12];2016年美國Air Force Institute of Technology對HYDROS的噴管進行了改進,在初始壓力為300 kPa時,HYDROS推力600 mN左右,比沖約為335 s,與理論值接近[13]。依據(jù)Air Force Institute of Technology的研究成果,2017年,Tethers公司對HYDROS樣機進行了升級和拓展,其最新產(chǎn)品推力達到1.4 N,每個推力脈沖可以產(chǎn)生的沖量為7.16 Ns,比沖為310 s,并將產(chǎn)品線分化為應(yīng)用于小衛(wèi)星的HYDROS-M和應(yīng)用于立方星的HYDROS-C,成熟度達到TRL-6級[14]。德國斯圖加特大學(xué)Nicholas-E. Harmanas等人在空中客車公司的支持下,研制成功如圖4所示的1 N水分解推進系統(tǒng)樣機比沖超過350 s,推力約為0.5 N[6]。

      圖4 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]Fig.4 Water electrolysis propulsion system designed in University of Stuttgart[6]

      通過衛(wèi)星自旋實現(xiàn)氣液分離的方案僅適用于自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星以及雙自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星;通過靜態(tài)供水方案實現(xiàn)氣液分離的方案適用于各種穩(wěn)定類型的衛(wèi)星。通過自旋實現(xiàn)氣液分離的水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,通過靜態(tài)供水實現(xiàn)氣液分離的水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在選擇供水方式時,應(yīng)當根據(jù)自身應(yīng)用需求去選擇。

      3.2 發(fā)動機供氣設(shè)計

      根據(jù)氣體存儲方式的不同可分為將氫氧氣體分別存儲和將氫氧氣體預(yù)混存儲兩種供氣類型。將氫氧氣體分開存儲有利于提高系統(tǒng)整體的安全性;將氫氣氧氣混合存儲,可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高燃燒效率。

      較為典型的氫氧氣體混合存儲的供氣方案為康奈爾大學(xué)Zeledon設(shè)計的,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[8]。氫氧混合氣體與水存儲在同一個儲箱里,并且通過單向閥1來避免回火。當水儲箱中的壓力達到指定壓力并且有推進需求的時候,電磁閥打開,同時經(jīng)過精心設(shè)計的單向閥1會自動打開,水儲箱中的氣體進入燃燒室。當燃燒室中的壓力達到設(shè)定值時,電磁閥關(guān)閉,單向閥1隨之關(guān)閉。兩閥關(guān)閉后點火器點火,單向閥2被高壓氣體沖開,高溫氣體通過噴管噴出產(chǎn)生推力。

      圖5 Zeledon提出的水分解推進方案圖[8]Fig.5 Water electrolysis propulsion system designed by Dr. Zeledon[8]

      典型的氫氧氣體分開存儲的水分解推進系統(tǒng)包括如圖6所示的Tethers公司的HYDROS[14]、如圖7所示的斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]以及如圖8所示的亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[9]。由于氫氣和氧氣分開存儲,因此不需要考慮回火問題,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度但是提高了系統(tǒng)的安全性。氫氧氣體分別存儲,可以實現(xiàn)持續(xù)供氣,氫氧分別存儲的水分解推進系統(tǒng)可以工作較長的時間,提供一段較為持續(xù)的推力。

      圖6 HYDROS的系統(tǒng)圖[14]Fig.6 Schematic diagram of HYDROS[14]

      圖7 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)流體流向簡圖[6]Fig.7 Fluid flow diagram of water elsetrolysis propulsion system designed in University of Stuttgart[6]

      圖8 亞利桑那大學(xué)水分解推進系統(tǒng)[9]Fig.8 Water electrolysis propulsion system designed in University of Arizona[9]

      設(shè)計微納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)時,應(yīng)當根據(jù)微納衛(wèi)星的質(zhì)量以及其對沖量的要求,將氫氧氣體混合存儲或者將氫氧混合氣體分開存儲。如果微納衛(wèi)星體積很小,則將氫氧氣體混合存儲。如果微納衛(wèi)星較大,并且衛(wèi)星有持續(xù)推力的需求,則將氫氧氣體分開存儲,這樣不僅可以提供持續(xù)的推力,而且可以提高系統(tǒng)的安全性。

      3.3 發(fā)動機設(shè)計

      應(yīng)用于微納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)燃燒室體積小,燃燒的尺度效應(yīng)將導(dǎo)致氫氧氣體在小尺度的燃燒室內(nèi)較難點燃和充分燃燒[15];氫氧氣體燃燒時溫度在3000 K以上,設(shè)計發(fā)動機時,需要充分考慮發(fā)動機的耐熱性能。在設(shè)計水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機時,不僅需要研究如何可靠點燃及保證充分燃燒,也要通過選擇耐熱材料和熱設(shè)計保護燃燒室以及噴管,避免高溫燒蝕。

      發(fā)動機燃燒室點火的方式包括催化點火和電弧點火兩種類型。HYDROS、康奈爾大學(xué)以及亞利桑那大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)通過電弧實現(xiàn)點火[5, 8-9],斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)通過催化分解的方式點火[6]。催化點火的催化劑一般為貴金屬,價格高,不適合微納衛(wèi)星的應(yīng)用;電弧點火方案需要設(shè)計耐氫氧燃燒高溫的點火電極,同時還需要進行電磁兼容設(shè)計以保證脈沖高壓電不會對星上電路造成傷害。

      水分解推進系統(tǒng)燃燒室尺度小,氫氧氣體,尤其是非預(yù)混的氫氧氣體難以在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒,實踐中一般通過加長燃燒室長度[16]、對氫氧氣體進行預(yù)熱[17]、設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的燃燒室[18]、設(shè)計特殊形狀的催化劑[19]、選用導(dǎo)熱性能差的燃燒室材料[20]以及在燃燒室內(nèi)加入鈍體[21]等方法來使微尺度燃燒穩(wěn)定。水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機受設(shè)計復(fù)雜度的限制,只能選擇較為簡易的方案進行燃燒穩(wěn)定性設(shè)計。斯圖加特大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),燃燒室長度從5 mm加長到13.5 mm,氫氧氣體在燃燒室內(nèi)燃燒更加充分,平衡推力可從0.45 N增大到0.65 N[6]。通過設(shè)計特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的燃燒室,氫氧氣體燃燒更加充分[22]。

      為了避免發(fā)動機被燒蝕,在發(fā)動機設(shè)計的時候一般采用高溫合金[23]。由于燃燒時火焰溫度較高,高達3200 K[22],現(xiàn)有的材料不能承受如此高的溫度,必須通過熱設(shè)計來對發(fā)動機進行冷卻。斯圖加特大學(xué)的研制人員在研制發(fā)動機的時候通過氫氣和氧氣在不同的位置噴注實現(xiàn)熱隔離[6]。如圖9所示,氧氣從燃燒室頂部的中部噴入,氫氣從燃燒室頂部的四周噴入。燃燒室壁附近由于氫氣的保護而溫度較低,其仿真圖如圖10所示。由圖可見氫氧燃燒溫度很高,而燃燒室壁的溫度僅有幾百度,從而保證了燃燒室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型。

      圖9 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機剖面圖[6]Fig.9 The water electrolysis propulsion system engine profile designed in the university of Stuttgart[6]

      圖10 斯圖加特大學(xué)發(fā)動機燃燒室熱仿真[6]Fig.10 Thermal simulation of the engine chamber in the university of Stuttgart[6]

      4 應(yīng)用展望

      國外應(yīng)用于維納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了模塊化,基本具備飛行條件[14]。國內(nèi)對水分解推進系統(tǒng)的研究也取得了一定的成果。天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所已經(jīng)完成PEM微型電解池的研制[24-25],北京控制工程研究所已經(jīng)研制成功微型閥門等水分解推進系統(tǒng)流體控制產(chǎn)品[26],正在進行發(fā)動機以及系統(tǒng)集成的研究。水分解推進系統(tǒng)的優(yōu)勢使得它在空間應(yīng)用中特別具有應(yīng)用前景,本文將從星際航行、空間站、應(yīng)用衛(wèi)星以及伴飛衛(wèi)星等角度對水分解推進系統(tǒng)的應(yīng)用前景進行分析。

      4.1 星際航行和太空采礦

      實現(xiàn)星際航行和太空采礦必須攜帶足夠的推進劑以實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移。充分利用星際資源為自身所用,可以少攜帶推進劑。星際存在大量的水,水分解推進系統(tǒng)可以充分利用星際的水作為推進系統(tǒng)的推進劑。美國普渡大學(xué)研制了水加熱推進系統(tǒng),可能實現(xiàn)星際航行過程中補充推進劑[27],水分解推進系統(tǒng)也可以利用太空的水資源為星際航行補充推進劑。美國星際采礦公司Deep Space Industries公司研制成果COMET水電熱推進系統(tǒng)未來將用于通過利用星際的水作為推進劑提供推力將星體轉(zhuǎn)移到地球[28]。水分解推進系統(tǒng)也可以實現(xiàn)采用星際的原位水資源,特別適合星際航行和空間采礦使用。

      4.2 空間站推進

      載人空間站和載人飛船飛行的時候會攜帶水作為人員的生活物資,采用水作為載人空間站、載人飛船的推進劑,可以簡化載人航天的物資供應(yīng)鏈,降低載人航天的成本。日本的YuichiroNogawa等一直在進行水電弧發(fā)動機的研制[29],水分解推進系統(tǒng)也可以采用水作為推進劑,是利用空間站的水的另外一種推進方案。采用水分解推進系統(tǒng)的比沖比常用化學(xué)發(fā)動機的比沖更高[30]。推進劑無毒無腐蝕性,有利于提高空間站的推進性能和安全性。

      4.3 應(yīng)用衛(wèi)星

      水分解推進系統(tǒng)采用無毒無腐蝕性的水作為推進劑,比沖高,結(jié)構(gòu)簡單,適合應(yīng)用衛(wèi)星使用。美國星際采礦公司Deep Space Industries公司研制的COMET水電熱推進系統(tǒng)已經(jīng)獲得一系列商業(yè)合作合同,證明了以水作為推進劑的推進系統(tǒng)有較好的應(yīng)用前景[31-32]。美國Pathfinder Technology Demonstrator項目也選用了美國Tethers公司的HYDROS水分解推進系統(tǒng)作為其推進系統(tǒng)[33]。國內(nèi)林震等也論證過水分解推進系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的推進系統(tǒng)更加適合高軌衛(wèi)星使用[4]。水分解推進系統(tǒng)在應(yīng)用衛(wèi)星領(lǐng)域特別有使用前景。

      4.4 太空垃圾清理和預(yù)警

      隨著航天的發(fā)展,太空垃圾逐漸增多,為了躲避太空垃圾,大型衛(wèi)星需要軌道機動,消耗大量的推進劑[34]。水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,比沖高,推力可以精確控制,依靠水分解推進系統(tǒng)的衛(wèi)星可實現(xiàn)與大型衛(wèi)星伴飛,以實現(xiàn)對太空垃圾的預(yù)警,與太空垃圾交會對接和將太空垃圾推離主衛(wèi)星的軌道,從而減少大型衛(wèi)星的變軌次數(shù),提高大型衛(wèi)星的效能[35]。

      5 結(jié)論

      1)水分解推進系統(tǒng)的比沖可達到310 s,遠高于冷氣推進系統(tǒng)。

      2)水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,不包含高壓器件以及機械閥門,有利于實現(xiàn)集成化。

      3)水分解推進系統(tǒng)在星際旅行、空間采礦、載人航天、衛(wèi)星應(yīng)用以及伴飛衛(wèi)星等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

      猜你喜歡
      氫氧燃燒室推進劑
      燃燒室形狀對國六柴油機性能的影響
      氫氧燃料電池演示實驗的改進
      自制液壓儲氣式氫氧燃料電池
      一種熱電偶在燃燒室出口溫度場的測量應(yīng)用
      電子制作(2019年19期)2019-11-23 08:41:54
      連鑄坯氫氧切割應(yīng)用與碳排放研究
      KNSB推進劑最佳配比研究
      大推力氫氧火箭發(fā)動機試驗噪聲治理技術(shù)概述
      含LLM-105無煙CMDB推進劑的燃燒性能
      無鋁低燃速NEPE推進劑的燃燒性能
      DNTF-CMDB推進劑的燃燒機理
      江山市| 固镇县| 兴隆县| 东台市| 湘潭县| 郑州市| 富民县| 丹凤县| 凉城县| 彰武县| 沛县| 凤城市| 葫芦岛市| 灵山县| 米易县| 区。| 龙游县| 北辰区| 页游| 和静县| 斗六市| 密云县| 大荔县| 临潭县| 玉树县| 剑川县| 南雄市| 涡阳县| 精河县| 双柏县| 林西县| 昆明市| 二连浩特市| 镇沅| 三台县| 柘荣县| 英超| 宁远县| 晋州市| 梅河口市| 镇远县|