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《北京航空航天大学》 2011年
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水基火箭推进系统空间性能研究

林震  
【摘要】:水基火箭推进系统(water based rocket propulsion system)是一种基于氢氧质子交换膜燃料电池(PEMFC)、质子交换膜水电解池(SPE)以及空间气氢气氧推力器的空间推进系统。相比起传统的空间推进系统,水基火箭推进系统具有高比冲、高比功率和比能量、无污染以及与空间生保系统结合性好等优点。因此,水基火箭推进系统在未来的空间应用中具有巨大的发展潜力。本文综合应用了理论分析、数值模拟、针对性试验等研究方法,从分系统到总系统,逐步研究了水基火箭推进系统的空间性能。 为研究PEMFC的空间性能,本文首先通过数值模拟,归纳总结了PEMFC的地面常规性能。然后通过研究不同重力环境对PEMFC内部物理化学过程的影响,分析了空间微重力环境可能引起的PEMFC性能变化。结果表明:在地面环境下,PEMFC可以通过合适的放置方式来对合适方向的重力加以利用,提高性能。而在空间微重力环境下则没有重力可以利用,PEMFC性能一般情况下会有所降低。但是,当控制PEMFC工况,使其内部产生的液态水较少,或者保证其入口气体流速足够大时,能够在很大程度上消除空间微重力环境带来的电池性能差异。 为研究SPE的空间性能,首先通过比较现有的三种典型SPE的结构形式和工作特点,选出了最适合空间应用的SPE—静态供水质子交换膜电解池(SWF-SPE)。根据SWF-SPE的工作特点,建立了针对SWF-SPE的数学模型。基于该模型的计算结果表明:SWF-SPE相比起其它传统的SPE更容易膜失水,使得其极限电流密度较小,最大产气率相对较低。采用薄的质子交换膜作为电解质膜不仅能够提高SWF-SPE的最大产气率,而且能够提高其电解效率。 为了评估适用于水基火箭推进系统的气氢气氧推力器的空间性能,本文从点火方式、喷注器方案、热防护方法、燃烧室压强以及设计混合比等方面进行了考察。结果表明:采用合适的技术方案的推力器能使水基火箭推进系统的综合实际比冲超过400 s。 根据各分系统的空间性能研究结果,本文以当前普通PEMFC的性能参数和文献报道的SWF-SPE性能参数作为水基火箭推进系统的电池和电解池系统能够达到的性能指标,以400 s作为该系统的比冲指标,对其整系统的空间性能进行了综合分析。结果表明:水基火箭推进系统的高比冲和高比功率、比能量能够给其带来明显的质量优势。但是,该系统的储箱质量限制、电解池质量限制以及电解功率限制使得其空间应用有一定的局限性。 为了定量分析水基火箭推进系统的空间性能,本文用该系统代替DFH-4上的传统推进系统,基于DFH-4的实际运行过程,进行了具体的空间任务分析。计算结果表明:执行变轨任务时,水基火箭推进系统适合采用较大推力,较短单次点火时间,多变轨周期的变轨策略;整个空间任务期间,采用水基火箭推进系统能够带来最大706 kg的质量节省,相当于实际DFH-4有效载荷(410 kg)的1.72倍。但是采用该系统变轨时间超过56天。 另外,本文搭建了分体式水基火箭推进试验系统,并进行了关键性的分系统试验和整系统分析。其中,催化点火气氢气氧推力器分系统的催化点火试验验证了环境温度下气氢气氧推力器催化点火的可行性,并总结了相关的催化点火规律;PEMFC和SPE分系统初步的放电和电解试验获得了该分系统的放电和电解性能;基于试验数据的整系统分析表明该推进系统各分系统之间以及各分系统和空间任务之间存在相互适应和相互制约的关系,针对不同的空间任务,水基火箭推进系统中三个分系统的规模和性能需要进行合理的优化配置。该试验系统初步实现了水基火箭推进系统的概念,为理论研究提供了依据,也为今后进一步研究打下了基础。
【学位授予单位】:北京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:V439

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