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。     

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。     

Investigation on Mechanism of Altitude Characteristic for Air-breathing Pulsed Laser Thruster

Altitude characteristic is of great importance for studying when an air-breathing pulsed laser thruster works in the dense atmosphere condition of 0-30 km altitude. The experimental findings all over the world show that the similar relationship between impulse coupling coefficient and altitude. According to strong explosion theory and an ideal gas model, a dimensionless factor indicating energy law of similitude is introduced, and formula of impulse coupling coefficient is deducted. Then theoretical study of altitude characteristic is carried out and mechanism of altitude characteristic is further explained. The results indicate that there is a maximum value of impulse coupling coefficient if the dimensionless factor equals to 0. 41 in theory, and whether the phenomena of maximum appear or not depends on the range of the dimensionless factor related to altitude. As to a conical nozzle with the fixed length of 120 mm, the relationship between the sonic velocity and the dimensionless factor causes the maximum phenomenon at the altitude of about 12. 5 km, and maximum theoretical impulse coupling coefficient is also found in the experimental investigations. The mechanism of altitude characteristic for air-breathing pulsed laser thruster is discovered in this article, which will provide reference for further research on altitude characteristic.     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

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。     

飞机易损性计算中的射击线几何描述方法(英文)

本文提出了一种飞机易损性计算中的射击线几何描述方法。首先,将给定打击方向上的飞机暴露面积划分为三个子区域:非易损区域、非重叠易损区域和重叠易损区域。然后,把飞机的独立存在状态划分为三类:杀伤状态、中间状态和非杀伤状态,利用射击线扫描法,对以上三个子区域中的飞机存在状态参数进行分析。最后,该方法提供两类射击线几何描述数据:(1)每个子区域内部件的易损面积和暴露面积,这些数据主要用于计算部件的单击中易损性;(2)飞机的独立存在状态及各个状态对应的面积,这些数据主要用于计算飞机的单/多击中易损性。算例分析表明,所提出的方法通过跟踪射击线运动路径,可以提供飞机及部件被威胁命中部分的面积参数,从而使易损性计算更具有真实性。同时,该方法解决了目前方法在考虑部件重叠时的通用性问题,所提供的几何描述数据形式简单,易于分析人员使用。     

喷管构形对多脉冲激光推进冲量耦合系数的影响

多脉冲激光推进中,后续脉冲的推进性能受到之前激波流场的影响。为了获得喷管构型参数对多脉冲推进性能的影响规律,针对圆台形喷管构形,数值模拟了频率为20,50,100Hz时多脉冲流场演化过程,得到了喷管顶部直径和长度对多脉冲冲量耦合系数的影响规律。结果表明：多脉冲冲量耦合系数随着顶部直径的增加而增加;一定范围内增加喷管长度利于冲量耦合系数的提高,但喷管过长将不利于喷管内气体的恢复,多脉冲冲量耦合系数提高不明显;不同频率下顶部直径和长度对冲量耦合系数的影响规律基本一致。研究结果为多脉冲条件下喷管参数优化和实验参数选择提供参考。     

7一种双S形进气道流场特性殛控制的试验研究

In order to provide the line of-sight blockage of the engine face for an advanced Uninhabited Combat Air Vehicle(UCAV), a highly curved serpentine inlet is proposed and experimentally studied. Based on the static pressure distribut ion measurement along the wall, the flow separation is found at the top wall of the second S duct for the baseline inlet design, which yields a high flow distortion at the exit plane. To improve the flow uniformity, a single array of vortex generators (VGs) is employed within the inlet. In this experimental study, the effects of mass flow ratio, free stream Mach number, angle of attack and yaw on the performance of a serpentine inlet instrumented with VGs are obtained. Results indicate: (1) Compared with the baseline serpentine design without flow control the application of the VGs promotes the mixing of core flow and the low momentum flow in the boundary layer and thus prevents the flow separation. Under the design condition, the exit flow distortion (

) decreases from 11. 7% to 2.3% by using the VGs. (2) With the descent of the free stream Mach number the total pressure loss decreases. How ever, the circular total pressure distortion increases. When the angle of attack rises from - 4° to 8°, the total pressure recovery and the circular total pressure distortion both go down. In addition, with the increase of yaw the total pressure recovery is fairly constant, while the circular total pressure distortion ascends gradually. (3) When Ma₀=0.6-0.8, α= −4°-8° and β= 0°-6°, the total pressure recovery varies between 0.936 and 0.961, the circular total pressure distortion coefficient varies between 1.4% and 5.4% and the synthesis distortion coefficient has a ranges from 3.8% to 7.0%. The experimental results confirm the excellent performance of the newly designed serpentine inlet incorporating VGs.     

能量密度对水工质激光推进性能的影响

当辐照激光能量密度不是很高时,在分析水工质激光推进基本物理过程的基础上,只考虑汽化过程对冲量形成过程的贡献,用一维理论模型研究了辐照激光能量密度对冲量耦合系数、比冲、能量转化效率等推进性能参数的影响规律。结果表明,随着辐照激光能量密度的增加,存在一个获得最大冲量耦合系数的最优能量密度;比冲随着能量密度的增加而变大;对于透射率一定的工质而言,随着能量密度增大,能量转化效率趋于一个恒定值。这一理论研究结果对下一步的实验研究工作具有较好的指导意义。     

几何参数对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响(英文)

This article investigates and presents the influences of geometric parameters of a scramjet exerting upon its nozzle performances. These parameters include divergent angles, total lengths, height ratios, cowl lengths, and cowl angles. The flow field within the scramjet nozzle is simulated numerically by using the CFD software--FLUENT in association with coupled implicit solver and an RNG k-ε turbulence model.     

平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管数值研究

将异型出口设计与气动推力矢量喷管结合,提出了平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管(bypass dual throat nozzle,BDTN),并与基准矩形截面的BDTN进行流场结构及气动性能的对比研究。三维数值计算表明:平行四边形构型与矩形构型具有相同的气动性能变化规律;相较于基准矩形BDTN构型,由于壁面倾斜导致流场结构变化,平行四边形构型在矢量状态下的俯仰矢量角及推力系数有所降低,但对非矢量状态下的推力系数和流量系数影响不大;壁面倾角是性能变化的重要因素,相同落压比时壁面倾角越小,矢量角越小,壁面倾角不小于60°时喷管的稳定矢量角均可达10°以上,最大矢量角均可达15°以上;平行四边形出口增强了尾喷流与环境气流的掺混,出口射流中心线速度衰减大大加快,有利于提高红外隐身特性。     

基于二维激光支持爆轰波模型的光船工作过程数值模拟

以Raizer建立的一维激光支持的爆轰波模型为基础,根据激光推进中焦点区内入射激光强度的分布情况,建立了二维激光支持的爆轰波模型。在相同的激光入射功率下,分别采用球面激光支持的爆轰波模型、球冠激光支持的爆轰波模型和二维激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,探讨了焦点区内激光强度分布不同时的光船推进性能。结果表明,在吸收相同激光能量的条件下,三种模型所得推力曲线和冲量耦合系数在误差范围内均吻合,说明能量在焦点区的分布对光船推进性能的影响不大。     

透射式激光烧蚀PVC冲量耦合性能实验

激光烧蚀推进是激光推进中最有应用前景的研究分支,吸引了国内外大量学者的关注。为了研究透射式激光烧蚀条件下靶材厚度和激光能量对冲量耦合性能的影响,以二极管激光器作为能量源,玻璃作为透射层,对不同厚度、不同入射激光能量条件下,掺碳质量分数为2%的PVC薄膜进行了透射式激光烧蚀实验研究。冲量耦合系数最高为65.78μN/W,与国内外相关报道的数据相比较,结果规律一致性较好。研究结果证明了双层结构靶材的透射式激光烧蚀可以提高冲量耦合系数,入射激光能量与靶材厚度对冲量耦合性能影响较大。     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

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。     

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。     

喷管结构形式对两级PDE性能的影响分析

为了研究喷管结构形式对两级 PDE 性能的影响及作用规律,以氢气和空气混合物为例,采用 FLUENT 软件中的 k-ε湍流模型,使用非平衡壁面函数、PISO 算法及基于梯度的动态自适应网格加密方法,对收敛、扩张、收扩等不同喷管结构形式的凹面腔内环形向心射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震波的过程进行了数值模拟,并对两级脉冲爆震发动机产生的推力和冲量进行了计算。通过对不同时间点凹面腔产生的推力和冲量、喷管产生的推力和冲量、两级 PDE 总的推力和冲量三者之间的对比和分析,发现凹面腔产生的推力和冲量是两级 PDE 总的推力和冲量的主要来源,不同喷管结构形式对两级 PDE 推力和冲量性能的影响有较大的差别。以冲量为例,收敛喷管可以提高凹面腔的冲量,但是由于自身同时产生过多负的喷管冲量,因而总冲量较小;扩张喷管虽然对凹面腔冲量的提高作用不大,但是由于其自身可以提供正的喷管冲量,所以总冲量较大;收扩喷管的收敛段也可以较小幅度的提高凹面腔冲量,但同时产生的负喷管冲量会和扩张段产生的正喷管冲量发生抵消,使总的喷管冲量比较低,发动机总冲量也较小。综合考虑各方面因素,扩张喷管性能最优。可见在两级 PDE 喷管结构形式的选择上,要同时考虑凹面腔冲量和喷管冲量,权衡两者,才能选择出合适的喷管。     

氟化氢激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验

为了研究激光功率密度对氟化氢激光与铝靶相互作用过程中冲量耦合系数的影响,分别在大气和真空中,用聚焦后的激光烧蚀铝靶,通过改变聚焦到铝靶的光斑大小,得到冲量耦合系数和激光功率密度的关系,并将该实验结果与CO2激光和铝靶相互作用的实验结果进行比较。结果表明,氟化氢激光与铝靶相互作用得到的冲量耦合系数和激光功率密度的关系与CO2激光不同。大气和真空中,氟化氢激光与铝靶相互作用开始出现冲量传递的阈值分别约为8.03×106W/cm2和7.69×106W/cm2,并且这两种情况下,氟化氢激光器与铝靶相互作用得到的最大冲量耦合系数均高于CO2激光。     

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。     

全方位旋转分离式激光推力器概念设计

为了更好的研究激光推进,提出了全方位360°可旋转的分离式激光推进发动机概念及其构型设计,其结构主要特点是:光学系统和推力系统彻底分离,光学系统只经过2次反射聚焦,结构简单;光学系统可以360°改变激光接收方向,以适应各种轨道条件;采用双光束、单/双发动机构型,可以降低单台激光器的功率,较平稳的实现激光器接力。对激光飞行器入轨轨道编制程序并进行数值计算。计算结果显示,为了更好的将飞行器推入近地轨道,则需采用较大冲量耦合系数的材料作为烧蚀工质,且比冲不宜过大。