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激光供能火箭发动机换热器理论与实验研究

禹图强  
【摘要】: 换热器模式是目前设想的激光供能火箭发动机模式中的一种。它通过换热器吸收激光辐照能量并将其转化为热,再传递给喷气工质。换热器设计有两个核心问题,一是如何使换热器外壳表面高效地吸收激光能量;二是如何强化换热器内流道与喷气工质的换热。本文重点围绕上述两个问题,开展了换热器结构设计、换热与流动的建模分析以及换热器原理的实验研究。 首先介绍了激光供能换热器模式火箭发动机及模块式飞行器系统的一般概念。激光源系统放置在地面,采用激光光束模块阵列的方式实现高功率输出;飞行器采用平底的半圆柱型机身,平底面作为激光供能火箭发动机换热器光热转换外壳。提出了10MW的输出激光发射10kg的有效载荷到300km轨道的激光推进飞行器系统概念,估算了飞行器质量,计算了发射弹道,给出了发动机以及换热器的性能参数,给出了对单个光束模块1MW输出功率、20m~2光学孔径、10~(-6)rad级的光束定向控制精度指标。 基于红外激光的吸收理论,设计了一种新颖的具有较高的光—热转换效率的平板式换热器外壳结构,其激光吸收率超过85%;建立了换热器壳体出口截面二维温度场模型,分析了不同工质、不同微通道尺寸对换热器表面温度和发动机排气速度的影响。结果表明:氢气工质比氮气能达到更高的温度,特征尺寸越小的微通道过热度小,能使内部流体出口温度更高,采用氢气、0.2mm槽宽的微通道比采用氮气、0.4mm槽宽的微通道出口温度高200K,其比冲达到620s。 建立了换热器微通道内流动换热的一维流模型,分析了单一直翅微通道内流体温度与速度随激光辐照功率密度、流体入口速度的分布规律。结果表明:增大微通道入口流体的速度,微通道长度基本成线性增长,换热器总面积也略有减少;但总的压降增加非常大,达到速度增长率的两倍。 为检验换热器模式发动机的可行性,研制了换热器原理实验件与实验系统,采用高温镍合金制作换热器壳体,氮气为工质,测试了换热器对1.06μm波长和10.6μm波长激光的吸收利用率,并对测量数据进行了分析。结果表明,金属换热器对短波长的激光具有更高的吸收利用率,表面的氧化度增大也提高激光的吸收利用率,达到49%。


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