真空环境下纳秒脉冲激光烧蚀典型材料的推进流场特性分析

为研究纳秒脉冲激光烧蚀典型材料推进流场瞬态流动过程,采用流场显示阴影技术,实现纳秒级时间分辨率、毫米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,解决激光烧蚀推进羽流的时间、空间高分辨率测量难题。对典型金属材料铝和典型聚合物材料的流场特性进行测量分析,并研究激光能量密度对羽流特性的影响。在典型时间尺度上,定性分析激光作用典型材料羽流特征与推进性能之间的关系。由于纳秒激光峰值功率高,当烧蚀金属材料Al时容易形成高温高压的等离子体羽流,等离子体喷射速度超过17km/s,等离子体羽流在百纳秒时间尺度离开靶面,对靶的力的耦合结束;当烧蚀聚合物PMMA和PVC材料时,PVC材料羽流喷射以等离子体和细小颗粒为主,喷射量较大且集中、方向性好,实验测量得到PVC工质真空羽流速度达到1500m/s,因此带来的反喷冲量以及推力都会较高。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

火箭发动机羽流红外特性计算方法研究

为研究火箭发动机羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外辐射传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解。计算中考虑了7种主要燃气组分,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1～15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,均与文献的计算结果和红外试验热图符合较好。在羽流近场内能够捕捉到流场内各点辐射强度随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度。     

激光烧蚀掺杂金属聚合物推力产生过程数值模拟

为了增进对激光烧蚀推进中推力产生过程的认识,建立了激光烧蚀掺杂聚合物推力产生过程的模型,发展了一套包括激光能量沉积、工质烧蚀、烧蚀羽流飞散等过程的数值仿真程序。数值计算了真空中3~40J/cm~2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的推力、烧蚀轮廓及质量、压强分布和比冲特性,且比冲与实验数据较吻合。计算结果表明:高激光能量密度(30.0J/cm~2)较低激光能量密度(5.0J/cm~2)的金属颗粒剥蚀情况严重;低激光能量密度(5.0J/cm~2)下推力时间变化规律较简单,总体呈现先增后减的趋势,且从整体上看只有一个压强峰值;而相对较高的激光能量密度(30.0J/cm~2)下,由于存在"烧蚀-屏蔽-烧蚀被削弱"的制约关系,推力时间变化规律复杂;流场产生的高压区较多,且呈现交替产生、并存发展到衰减消失的规律;羽流与激光的相互作用更为剧烈,峰值压强也更大。     

纳秒激光对含能聚合物固体薄膜的烧蚀特性研究

含能聚合物是激光烧蚀微推进中一类重要的推进剂，聚叠氮缩水甘油醚(GAP)是其中的典型代表。为了研究含能聚合物固体薄膜在纳秒激光下的烧蚀特性，使用8ns脉宽的Nd:YaG激光器以反射式和透射式烧蚀GAP固体薄膜靶材，对羽流演化过程和烧蚀坑形态进行了研究。结果表明:反射式烧蚀的羽流中喷射产物以气态为主，固态碎片较少，受迫形成锥面喷射，羽流演化速度较快。透射式烧蚀喷射在约束作用下，有大量固态碎片以球面膨胀，约束在羽流演化的早期抑制了喷射速度，但会逐渐碎裂分解释放产物和能量，使喷射前沿再次加速，约束延长了烧蚀区在靶材滞留的时间，使透射式烧蚀的靶材内热传导效应更为显著。在此基础上，以不同激光能量密度透射式烧蚀靶材，研究透射式烧蚀能量沉积区与周围工质的侵蚀和约束关系。结果表明:激光能量密度越大，周围工质受到的侵蚀作用越强，烧蚀坑面积越大，能量沉积区受到的约束作用越弱，透射式烧蚀的羽流演化体现出部分反射式烧蚀的特征。     

后燃对火箭发动机羽流红外特性的影响

为研究火箭发动机后燃羽流近场的红外辐射特性,建立了羽流红外传输的计算模型,通过在能量方程中引入辐射源项,实现了流场计算与辐射传输的耦合求解.计算中考虑了10种组分,使用有限速率化学反应模型对羽流后燃现象进行计算,分别使用有限体积法和离散坐标法求解羽流流场和辐射传输方程,得到了羽流红外辐射强度在1~15μm范围内随波长变化的曲线及辐射强度在近场内的分布云图,与试验数据符合较好.在羽流近场内能够捕捉到辐射特性随流场物性变化的情况,表明耦合求解能提高辐射计算精度.随着来流马赫数和飞行高度的增加,后燃引起的羽流红外辐射强度的增量均变小.     

用Simons法计算真空羽流

姿态控制发动机真空环境下工作产生的羽流对航天器造成的影响非常明显，用Simons法对真空羽流流场进行了解析计算，包括等熵核心区和边界层膨胀区的计算，得到了符合流动规律的结果，这是一种快速计算真空羽流场物理参数分布的方法，工作对卫星、飞船和空间站上的姿态控制发动机的工程设计和科学实验具有参考价值。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.     

高空羽流场的DSMC计算和实验研究

以小推力发动机的高空羽流场为研究对象，实现了高空小喷管氮气流DSMC方法数值模拟，验证了DSMC方法在高空膨胀流中的可用性，并在现有设备基础上，进行一组高空羽流试验，给出试验与计算的对比结果。结果表明：喷管出口附近能得到满意结果，由于实现设备能力所限，远场试验没有达到预期效果。     

估计飞行器羽流影响的点源流动模型和计算机程序

目前和今后使用火箭发动机进行轨道和姿态控制的空间飞行器都要遇到发动机排气羽流影响问题.本文讨论了一种迅速估算轴对称的羽流远流场对飞行器影响的近似分析方法和相应的计算机程序.这种点源分析方法考虑了排气气体和喷管的特性.通过计算发动机排气羽流场,计算排气羽流干扰力矩和推力损失,这些影响在飞行器设计中必须给予考虑和控制.利用该方法和计算机程序对一个卫星模型进行了羽流影响的计算.