低成本太阳电源系统的地面试验技术

据太空飞行现在时网报道，普度大学的一名工程师设计了一种新型太阳电源系统的地面试验方法，该方法可取代昂贵的空间试验。这一设计将为NASA节省数百万美元。 该实验电源系统对卫星来说是理想的系统，包括那些运行在静地轨道上的卫星，它们如同地球那样经历昼夜循环。该系统在数小时黑暗中也可以发电，而传统的太阳电源系统则依靠笨重的可再充电电池。 由于在航天飞机上进行实验可能要花费数百万美元，于是这名工程师设计了一种可大大节省成本的地面试验方法。据一位核工程副教授说，“我们只用不到10万美元就可以在实验室里进行与在空间同样的试验。” 在白天，实验卫星系统的一部分暴露在真空的太阳辐射环境中，其温度达到摄氏800度。太阳电源系统的核心是一种相变材料，在高温下呈液态，而在寒冷的夜晚它则开始凝固。因为需要用来自太阳的热量融化这种材料，所以在液体凝固时，热量被释放。利用液体凝固释放出的热量驱动小型蒸汽涡轮或热电单元装置产生电能。相变太阳电源系统，比传统的使用可再充电电池的系统更加紧凑，能够贮存更多的能量。这类系统可以被用来为太阳电源应用系统提供能量。由于该系统可以比尺寸相当的电池产生至少多3倍的能量，因此，对于依靠电池的传统卫星太阳电源系统来说，该系统可以作为一种可能的替代方案。工程师们尽力提高系统的效率，以便应用于航天器。但是目前存在的一个主要障碍是：当材料凝固时，在材料中要形成类似泡沫的空腔或空隙。“问题是当材料凝固时，它们收缩了很多。这意味着形成一个大的裂缝”，这位核工程副教授说。这种相变材料装在一系列的金属隔舱中。靠着舱体外壁形成的裂缝，影响液体凝固所释放的热流向系统其余部分的传递。他说，“如果空泡是靠着舱壁的话，热量就不能有效的传输”。随着时间的推移，在金属壁上不断形成裂缝，还可能损坏舱体。 他发现，空泡可能与所使用的舱体的尺寸和形状有关。例如，容器的最佳形状和尺寸是大约两英寸宽的环形或圆环形。新的卫星太阳电源系统包含一系列这样的充满相变材料的环形舱体。他说，“我们正在研究各种几何尺寸，进行优化设计，获得最佳传热特性”。这位副教授已经使得在地球上进行此项实验成为可能。他设计了用塑料制成的透明舱体，能够让研究人员看见容器里面裂缝的形成。他利用能够在低温下融化的相变材料。使用这种材料，比使用在摄氏800度下融化的材料要容易得多。他说：“当材料凝固时，我们拍摄照片，看看有多少空泡及其分布情况。这将告诉我们在中部有多少空泡，还有多少迁移到壁面附近。”试验结果要经过数学分析。分析出来的成果，可用来建立计算机模型，使工程师们设计出更好的舱体。 相比之下，在航天飞机上进行的实验，只有当凝固的相变材料返回到地面，制成切片时，才能进行分析。他说，由于舱体内裂缝的形成不受空间失重环境的影响，所以地面实验结果可应用到空间系统。地面实验还可以进行得更加完全，因为实验不受航天飞机飞行时间短的限制。 该项研究由NASA提供经费。