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太阳能热推进(STP)是一项新概念、新技术,其系统主要由太阳能聚光器、吸收器/推力室、工质贮存与供应系统组成,利用聚集的太阳辐射能直接加热轻质量的推进工质(例如氢气),膨胀后通过喷管喷出而产生推力。STP使用取之不尽、经济清洁的太阳辐射能,可以大大减少对空间的污染:它不需光电转换、能量管理系统,因此结构相对简单,太阳能利用率较高:它可实现较高的工质温度(1000K～2500K,有时甚至超过3000K),具有高比冲的特点:它具有范围宽阔适中的推力,适合完成航天器的转轨飞行、姿态控制和轨道保持。因此,STP是空间推进技术发展的一个极具吸引力和充满前景的新方向。 本论文研究的主要目的是以STP光热转换机理研究为基础,对STP推进方案、材料选取,能量转换方式进行详细的比较和分析,并对STP关键部件——太阳能一次聚光器、折射式二次聚光器和吸收器/推力室进行合理的分析和设计,进而建立STP的理论模型,预示其性能。 本文主要工作和价值在于: (1)综述了国外STP的研究现状、发展趋势及其在潜在应用领域中的性能优势,指出了国内开展STP研究的必要性和迫切性。 (2)分析了不同方案STP的工作原理、结构和性能特点。重点研究了STP中太阳辐射聚能加热工质的基本理论,为STP光热转换机理及地面实验系统的建立奠定了理论基础。 (3)系统分析了STP关键部件的类型选取、设计方法和工艺技术,并推出了相关公式,详细设计了偏焦旋转抛物面聚光器、折射式二次聚光器和吸收器/推力室,这对STP的工程设计具有重要的指导价值。 (4)针对所设计的STP方案类型,利用能量守恒原理、辐射换热原理和传热学理论给出了STP性能预示的工程算法和结果。计算结果显示,以氢气为工质,STP具有比冲较高(5000～9000 m/s),推力范围宽(0.6～60 N)的特点。通过考察聚光器的聚光比,太阳辐射能通量密度和工质质量流量对STP性能影响的规律,得出了参数间的变化关系,为STP设计参数的选取和进一步研究提供了重要参考。