可折疊/展開結構具有質量輕、收攏體積小、發(fā)射成本低等優(yōu)勢，這為構建大聚焦比、大口徑的空間太陽能聚焦器提供了一條有效的解決途徑，因此，開展高效可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)的研究對于推動空間太陽能高溫利用的發(fā)展有著重要的意義。本文對可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)中的一些關鍵技術進行了研究和性能分析，提出了大口徑、大收納比、可高效折疊/展開的空間可展開太陽能聚焦器系統(tǒng)的設計方案，探索了性能提高的策略，完成了可展開聚焦器系統(tǒng)的優(yōu)化設計和分析。 本文首先基于懸臂梁假設，利用ANSYS軟件對充氣支撐結構進行了靜態(tài)和模態(tài)分析。結果表明：低階頻率（前3階頻率）幾乎不受內壓的影響；內壓對于高階頻率（后7階）的影響較大；內壓在影響結構固有頻率的同時也改變了結構的振型。 利用有限元方法對充氣展開的非線性動力力學控制方程進行了離散求解，以一個開口面積為20m2、焦距為8m的充氣結構模型為研究對象，對其一次、三次折疊未充氣狀態(tài)的支撐桿及反射部件的展開過程進行了動態(tài)仿真計算。對比支撐桿一次折疊和三次折疊展開過程中內壓隨時間的變化可以得出支撐桿內壓變化與其折疊次數(shù)無關。充氣展開過程中，在充氣薄膜材料上有褶皺的出現(xiàn)，這將影響展開后反射部件的聚焦性能。 根據(jù)蒙特卡洛光線跟蹤法及光線的鏡面反射定律，分析了充氣式可展開太陽能聚焦器的聚焦性能，并通過調整充入氣體參數(shù)、聚焦器的結構壁厚和結構形式等對其展開過程及聚焦性能進行優(yōu)化。結果表明：單一壁厚薄膜反射面結構展開后的聚焦效率約為50%；通過調整薄膜壁厚沿徑向的變化，可以有效改善充氣反射面展開聚焦性能，聚焦效率最大可達60%；成型反射面結合充氣式或機械式支撐桿的新型聚焦器的展開聚焦效率可以達到理想設計值。 為了克服充氣式展開聚焦器在充氣過程中存在的褶皺問題，整個聚焦結構采用由充氣薄膜材料預制成型的多組小尺寸的聚光鏡片疊裝，在空間展開為大面積的聚焦器。采用Pro/E軟件進行參數(shù)化三維建模、裝配，對新型聚焦器的展開鎖定機構設計，并對可伸展支撐結構進行抗壓性能、抗彎性能和振動特性進行研究。在支撐桿頂端受30N軸向和徑向力時，可展開支撐桿結構具有優(yōu)異的抗壓和抗彎性能，支撐結構的安全系數(shù)非常高；第5階振型對應的結構位移最大，約為0.1m。 對預制成型的折疊聚焦器在空間展開的預期過程進行了運動仿真，獲得了展開軌跡曲線及位置曲線等相關數(shù)據(jù)，并對存在各種誤差時展開結構的聚焦性能進行了分析。研究表明：組裝鏡片能夠按照預期實現(xiàn)由收納狀態(tài)到工作狀態(tài)的展開過程，并最終達到了預期的展開鎖定效果；支撐桿長度伸縮誤差對焦點精度的影響比支撐桿孔徑間隙誤差的影響要大；存在軸間隙誤差時，焦點坐標位置x和y誤差均在半徑為3mm的圓內變化，焦點位置誤差不具有規(guī)律性；隨著指向誤差、焦面位置誤差及鏡面加工誤差的增大，聚焦器焦面光斑半徑增大，并且由圓形光斑逐漸演變?yōu)闄E圓形，能流峰值降低，整個焦面接收的總能量保持守恒。鏡面誤差對焦面能流和光斑形狀的影響最大，應合理設置接收面的大小和位置。 利用FLUENT軟件對吸熱器內的流動換熱性能進行了數(shù)值模擬，并對吸熱器結構進行優(yōu)化，使每根吸熱管內工質的流量均勻。根據(jù)蒙特卡洛光線跟蹤法及光線的鏡面反射定律，采用優(yōu)化后的新型太陽能聚焦系統(tǒng)展開結構的幾何模型計算吸熱管壁面接收的太陽能熱流。結果表明：優(yōu)化后的吸熱管內氦氣的流動不均勻性小于5%，氦氣的出口溫度分布均勻，整個出口氦氣的平均溫度約為1125K，最大溫差為50K。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2012
【中圖分類】：TK513
【部分圖文】：

可展開太陽能聚焦系統(tǒng)結構

L’Garde研制的雙層薄膜面充氣天線

圖 1.3 IAE 試驗的充氣天線結構試在很大程度上證明了利用柔性薄膜結構材料構建空間大口徑的過程是可靠的，該充氣天線的裝載體積僅為傳統(tǒng)機械展開天線射面展開精度的在軌測試后發(fā)現(xiàn)，整個反射面的精度比預期值稍
【參考文獻】

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本文編號：2865216