来流对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响

针对大气吸气模式激光推进的原理,采用二阶精度的Roe格式,在气体模型为完全气体时,分别对无来流以及来流马赫数为2.5和5的条件下,环聚焦激光推力器内外流场的演化过程进行了数值模拟。结果表明,无来流、来流马赫数为2.5和5时的冲量耦合系数分别为2.42×10-4N.s/J,1.00×10-4N.s/J和1.13×10-4N.s/J,无来流时激光推力器的冲量耦合系数高于同工况下有来流的情况,但来流马赫数为5时由于激波不会传播到推力器前体而产生负推力,因此冲量耦合系数较马赫数为2.5时高。研究结果可为激光推力器的构形设计以及实验模拟高空环境下推力器的飞行情况提供一定的理论指导。     

来流情况下入口状态对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响

激光推力器在高空环境下飞行不可避免地会受到来流的影响,而其入口状态直接影响激光聚焦点火之前的定常流场状态,从而影响推力器的推进性能。在来流马赫数为5的条件下,对某种吸气式推力器模型的入口在打开、关闭以及半开3种状态下的内外流场演化过程进行了数值模拟。结果表明：入口打开时,轴向阻力低于同工况下入口关闭和半开的情况;入口关闭时,聚焦区的激波传播速度明显增加,正推力峰值明显增大,抵消了入口关闭带来的额外负推力;入口半开时,正推力较入口关闭没有得到有效提高,轴向阻力较入口打开却大幅增加,导致其冲量耦合系数最低,推进性能最差。通过计算和分析预测,入口构形的改进设计可大幅度提高来流情况下推力器的推进性能,对入口构形优化还需进行大量工作。     

聚焦方向对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

为了获得吸气式激光推进冲量耦合系数随聚焦方向的变化规律,针对抛物形喷管,采用光线追踪法求解辐射输运方程,通过与二维轴对称辐射流体动力学方程组联立,计算得到了3组单脉冲激光能量条件下不同聚焦方向对应的冲量耦合系数。计算结果表明:当聚焦方向在0°～135°范围内变化时,冲量耦合系数总体上呈下降趋势,而且激光能量较大时,这种趋势愈明显。     

N2O单组元微推进系统及其喷管流场的初步研究

针对利用N2O单组元催化分解产生热气、用于精确控制飞行器姿态的微推进系统,提出了初步的系统方案和主要设计参数.通过数值仿真,对设计推力为1N的微推进器喷管在高空工况的内流场和真空羽流场进行了研究.计算得到喷管的推力为1.041N,比冲为1922.7N·s/kg,从而验证了喷管相关设计参数的合理性.理论分析为后续的地面试验件的设计加工及其热试车提供了有益的参考.     

吸气式激光推力器速度与高度耦合特性的数值研究

使用基于有限体积法和分区结构化网格划分的高分辨率数值方法,计算得到了两种吸气模式激光推力器模型在加速度为10 m/s2的发射过程中,其冲量耦合系数随海拔高度的变化规律。不考虑来流速度和空气补充时,高度特性计算结果与实验吻合得很好。结果表明:推力器与空气具有相对速度时,冲量耦合系数整体明显减小,导致激光推进单级入轨发射由吸气模式向火箭模式的切换点由目前预测的20~30 km明显下移至10~20 km;经过进气道增压处理后,冲量耦合系数大幅度提高,为了增大吸气模式的工作高度范围,进气道设计是必不可少的关键技术之一。     

激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟

对连续激光维持的等离子体加热推力器内流场建立一种计算模型,考虑的物理机制包括化学反应、高温气体性质、激光吸收、黏性、扩散、热传导以及辐射效应,模型方程形式为可压缩轴对称Navier-Stokes方程,对方程采用SIM-PLEC算法求解.在吸收室压强、聚焦光束形状参数及喷管构型相同的条件下,模拟了氩为工质的推力器比冲随激...     

聚焦角度对空气中激光维持爆轰波的影响

吸气式激光推进的激光能量沉积过程主要发生在激光支持的爆轰波（LSD波）的形成与演化阶段,分析LSD波的传播规律和影响因素对揭示能量沉积机理起到基础性作用。利用纳秒四分幅高速相机和延长光路的纹影系统,拍摄了不同聚焦角度下CO₂激光经透镜聚焦击穿空气流场的纹影照片,结合一维理论公式分析了LSD波速度。结果表明：在本文的实验条件下,吸气式激光推进击穿空气经历了LSD波和激光支持的燃烧波（LSC波）两个阶段, LSD波阶段的持续时间约7.1 μs;3种聚焦角度下LSD波速度与理论公式预测的整体趋势比较吻合;聚焦角度越小,LSD波的初始速度越大,聚焦角度θ=4.29°时实验数据达到约14 km/s。     

激光推进辐射击穿温度特性的数值研究

在9种等离子体击穿温度下,数值模拟了二次反射式聚焦系统聚焦情况下激光推力器内流场的演化过程,得到了不同击穿温度对应的能量沉积率、推力峰值、冲量和冲量耦合系数,能量沉积率和推进性能参数在某个等离子体击穿温度值处发生突变。根据空气对激光的逆韧致吸收系数公式,计算了CO2激光辐照下不同等离子体击穿温度对应的空气辐射自由程,发现当等离子体击穿温度为14000K时,辐射自由程为1.4mm,与计算网格的典型尺寸相当,此时入射激光能量在一个网格内以一定效率被吸收,由此确定了基于逆韧致吸收的激光等离子体的击穿温度。     

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

吸气式激光推进飞行器发动机特性分析

介绍了吸气式脉冲激光爆轰推进的环聚焦构形飞行器概念,建立了进气道流动模型;利用Chapman-Jouguet爆轰理论和Sedov自相似律,建立了冲量发生与推力传递模型,给出了冲量耦合系数及等效比冲与飞行参数、激光脉冲参数之间关系的解析表达式。计算了发动机冲量耦合系数及等效比冲随飞行高度、马赫数、入射激光强度和脉宽等因素变化的曲线,结果可为相关构形飞行器的弹道与激光器工作模式设计提供参考。     

被动吸气式电推力器气体收集装置性能仿真研究

为分析被动吸气式电推力器气体收集装置设计对其性能的影响情况,本文以200km超低轨道下立方星推进装置为应用背景,进行了被动吸气式电推力器气体收集装置的性能仿真研究设计,采用基于稀薄气体的自由分子流模型对进气道装置内气流进行了仿真,研究了不同关键参数,包括几何形状（抛物线型、圆锥型、棱锥型）、入口出口截面比、长度、进气道内壁光滑程度多种因素对气体收集装置集气效率的影响,选取典型参数模型计算其内部气压分布规律。仿真结果表明,在三种形状设计中抛物线型进气道对气体聚焦效果最佳,入口出口截面比越小、长度越大以及进气道内壁越光滑进气道性能越优。文中所设计10cm抛物线型被动式进气道能够实现对大气120倍的压缩效果。     

基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法

在单脉冲冲量测量方法的基础上,增加激光脉冲提取和摆杆控制单元,提出了一种基于复摆模型的多脉冲冲量耦合系数测量方法。分析了多脉冲的两种测量模式及实现流程,解决了数据处理面临的新问题,并对该方法进行了检验,结果表明:所设计的激光脉冲提取和摆杆控制单元满足25Hz频率要求,可实现在40ms内提取多脉冲序列的任意一个脉冲;模拟多脉冲序列下测得两种模式15°锥形喷管的冲量耦合系数为371.0～375.3N/MW,具有很好的一致性。该方法可用于吸气式激光推进的多脉冲性能研究,并作为其他多脉冲研究方法的有效补充。     

激光聚焦点火区域流场演化的数值研究

激光聚焦点火区域形成的低密度球腔会制约吸气式高重频脉冲激光推进发动机的稳定工作。基于球形点火模型,用数值计算方法研究了等离子体的初始温度对球腔大小的影响以及球腔的演化特点。研究表明,当等离子体的能量较大时,它的初始温度对球腔大小的影响较小;球腔的密度不足环境气体密度的0.1倍,温度高达几千K,压强接近环境气体压强;球腔半径与等离子体动力学半径的比值稳定在0.29左右。通过对球腔演化规律的分析,为激光器参数的控制和聚焦系统的设计提供了一定的参考依据。     

脉冲激光推进的能量相似律理论研究

激光推进的能量相似律,指确定的激光能量有与之相对应的最佳喷管尺寸,使得冲量耦合系数最大且不变的规律。用大气高度参数、入射的激光能量、喷管几何参数构造了无量纲因子,建立了圆锥形喷管在单脉冲条件和一维球对称点聚焦情况下的能量相似律。结果表明:当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数存在极大值,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而单调增大,冲量耦合系数则与能量无关。本文的研究结论和规律性认识,对目前可实现和以后工程化放大的激光能量范围,均能给出可信可靠的喷管优化尺寸。     

激光推力器材料耐热性能的数值分析

推力器是激光推进的重要部件,推力器材料的选择需要充分考虑其承受强激光辐射后的耐热性能,避免被熔化破坏。基于激光辐照一维加热熔化模型,提出了高精度和快速的温度场计算方法,研究了强激光辐照推力器材料时的熔化时间,材料表面及内部温度场分布,进一步提出了材料优选的原则:低激光吸收率、高热传导率。以部分典型材料为实例,对耐热性能进行了对比分析,并给出了较好的推力器材料。     

液体工质激光推进冲量耦合系数实验测试

在成功研制液体工质注入系统的基础上,以脉冲式CO2激光器为光源,将雾化水滴用作工质,进行了激光推进性能实验测试研究。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数较大气吸气模式获得了较为明显的提高,达到了50×10-5N.s.J-1左右。与国内外相关实验结果进行了对比分析,讨论了提高液体工质激光推进性能参数的方法。     

激光推进发射微小卫星弹道仿真与分析

建立了初步的激光大气传输模型和光船的三维运动模型,通过对单站大气盘旋入轨模式下的推进弹道仿真分析可知,单站推进模式下激光在稠密大气层中行程较大,激光传输衰减严重。针对上述问题,以激光推进发射微小卫星为应用目标,提出了基于过顶接力和等光程接力两种方式下三站入轨的推进模式,给出并分析了相应的仿真结果,并利用等光程接力方式分析了激光推进发射微小卫星的运载能力。结果表明,三站等光程接力方式可以有效的解决激光传输问题,减小了激光在稠密大气层中的传输距离和激光的传输损失,提高入轨质量。