可折叠展开式伞状龙骨结构聚光器结构及性能分析

发布时间：2020-05-29 19:54

【摘要】：太阳能热推进（STP：Solar Thermal Propulsion）直接利用聚焦的太阳辐射能来加热推进剂以产生推力。在航天工程领域，，探索适用于深远空间作业的新一代太阳能高效聚光器是当前的研究热点，设计出高功率、高聚光比、小发射质量和小运载体积的太阳能聚光器是STP系统的关键之一。现有的聚光器主要有抛物面型、固定刚性结构以及充气展开式结构。固定刚性结构聚光器具有面差小、制造工艺简单的优点，但也存在系统发射质量较大、包络体积庞大、产生的功率小，不能汇聚足够的能量加热STP推进器，难于适合于深空空间作业的缺点。地面试验采用的充气展开式聚光器虽然自重较低，有效减轻了发射质量，但系统复杂、结构稳定性不高，使用时存在展开度不高、展开速度无法控制、起皱无法消除的缺点。选用材质轻、抗拉伸强度高的龙骨材料，将伞状龙骨结构引入可折叠展开式聚光器的的设计方案，可改进可折叠展开式聚光器存在面差大、展开后无法形成理想抛物面的缺点。可折叠展开式伞状龙骨聚光器聚焦准确度高、可展开度高、包络体积小、发射质量轻、聚光器伞面缺陷少，并有利于提高跟日系统精度。在本文工作中，针对可折叠展开式伞状龙骨聚光器具有自重低、功率高、比冲高、推力适中的特点，利用ANSYS与ZEMAX软件对功率为100kW的可折叠展开式伞状龙骨聚光器在太空环境中的聚光性能进行模拟分析。在太阳风及衬底薄膜表面张力的影响下，伞面最大应力为1.66MPa，远小于Kevlar材料及Ti-6Al-4V龙骨材料的阈值强度，伞面最大形变仅为0.941mm，焦斑半径为6.37cm，几何聚光比可达5917，比标准抛物面仅减小了1.25%。分析结果表明：将材质轻、抗拉伸强度高的伞状龙骨结构引入可折叠展开式聚光器的设计方案，在很大程度上抵消衬底薄膜材料表面张力及太阳风对聚光器工作形态的影响，可消除褶皱，提高可折叠展开式伞状龙骨聚光器的结构稳定性及可展开度，同时证明了伞状龙骨结构及Kevlar材料的选择是合理的。
【图文】：

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图 1.1 可折叠展开式伞状龙骨结构聚光器示意图Fig.1.1 the schematic diagram of the deployable umbrella-shaped keel concentrator2 固定刚性结构聚光器在各种应用于空间技术的聚光器中，抛物面型聚光器是理论上的最佳聚光装太阳能的良好聚光，是唯一适合使用与 STP 的聚光器。理想的抛物面聚光器光比最高，能实现 13000 的几何聚光比。现有的抛物面聚光器主要有可折叠、固定刚性结构以及充气展开式结构。固定刚性结构抛物面镜如图 1.2 所示

示意图,聚光器,刚性结构

图 1.1 可折叠展开式伞状龙骨结构聚光器示意图Fig.1.1 the schematic diagram of the deployable umbrella-shaped keel concentrator定刚性结构聚光器各种应用于空间技术的聚光器中，抛物面型聚光器是理论上的最佳聚光阳能的良好聚光，是唯一适合使用与 STP 的聚光器。理想的抛物面聚比最高，能实现 13000 的几何聚光比。现有的抛物面聚光器主要有可固定刚性结构以及充气展开式结构。固定刚性结构抛物面镜如图 1.2 所
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513

【参考文献】