深海空间站动力系统及其热管理研究

随着陆地资源的短缺,海洋资源的争夺日趋激烈,世界各国为了开发海洋资源,探索海洋生命,纷纷提出开发新型深海装备深海空间站。由于深海空间站需长时间在深海从事科学研究、资源开采等任务,需要极强的续航能力做支持,因此本文从提高深海空间站的续航能力出发,主要把深海空间站动力系统的选择以及热管理的相关研究做为论文的主要内容,主要研究成果如下:(1)分析总结了深海空间站的组成以及动力系统的特殊要求;介绍了闭式循环柴油机AIP系统、核动力汽轮机系统的工作过程及特点,并对应用在深海空间站中面临的问题以及影响因素进行综合分析;针对深海空间站的特点以及对闭式循环柴油机AIP系统、核动力汽轮机系统的综合比较提出新型核动力斯特林发动机系统,为未来深海空间站动力系统提供参考。(2)对深海空间站内部舱室环境进行简要分析;参考载人航天器热管理的思路,提出深海空间站热管理的概念;同时对深海空间站的能量负荷进行分析,通过对站内散热负荷和设备发热量的分析,得出深海空间站内设备发热量远大于散热量,需要利用热管理系统进行合理散热;同时提出了深海空间站的动力负荷及能流图,进一步明确管理系统主要任务;分析了深海空间站热管理的节能原理;最后从设备级、系统级、总体级三个方面提出深海空间站热管理的实施途径。(3)针对深海空间站冷却方式进行分析选择,确定对人员居住舱室直接采用空调冷却,而对热负荷较大的设备舱室先利用弦外海水做冷源的系统进行冷却,再通过空调进行冷却;通过对直流冷却系统、循环冷却水系统以及热管冷却系统的换热效率进行综合对比,主要研究热管技术在深海空间站冷却系统中的应用及优化方法。研究结果表明:在相同换热器规格下,直流海水冷却系统效率最高,循环水冷却系统次之,热管冷却系统最低,但可以通过增加热管级数的方式有效提高热管冷却系统的性能,使其接近循环水冷却系统,热管冷却系统应用在深海空间站上需要考虑NTU,当NTU较大时,需要采用多级热管冷却系统,当NTU小于1时,采用单级热管冷却系统;同时设计了一套辅助热管冷却系统使用的发电、海水淡化系统,可利用外围条件创造更多的能源,同时一定程度避免对深海的热污染。