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。     

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。     

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。     

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。     

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

管中激光加速器的推力形成过程

管中激光加速器是一种新型的激光推力器,弹射体在管道中被加速。利用光线追踪法,根据光线在网格中的传播路径信息,运用辐射输运方程,得到流场的能量源项;数值求解含能量源项的流体控制方程,对管道中等离子体流场激波的形成和演化过程进行了研究。模型能够模拟空气光学击穿、空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用和推力形成过程,通过计算得到冲量耦合系数为3.61×10-4N/MW,等离子体内能转化为流场动能的比例约为9%。     

预冷组合循环发动机吸气式模态建模与性能分析

为了对预冷组合循环发动机开展性能分析，以协同吸气式火箭发动机（SABRE 4）为研究对象，采用部件法建立了发动机稳态模型，计算获得了SABRE 4发动机在吸气式模态下沿飞行弹道的性能参数变化规律。然后对发动机的高度和速度特性进行研究，得到了发动机的飞行包线。计算结果表明，在吸气式飞行弹道内，核心机推力和比冲的变化分别为488~680kN和34786~46954m/s。SABRE 4发动机具备推力大和比冲高的性能优势。在预冷器工作过程中，随着飞行马赫数增大，预冷器换热量不断增大，进入预燃室的氢流量减小，预燃室总温降低，HX3的吸热量减小。与其他压气机和涡轮相比，空气压气机和氦涡轮的工作参数变化较大。SABRE 4发动机通过对来流空气进行预冷，可实现在大空域和宽速域内工作。由于空气压气机的喘振和堵塞边界限制，发动机的高度和速度特性分别存在飞行高度和飞行马赫数的限制。     

大气吸气模式激光推进的实验研究

激光推进是一种新概念推进技术,在未来航天事业中将有重要的应用前景。利用高重复频率高功率TEA-CO₂脉冲激光器进行了抛物形飞行器的水平和垂直激光推进实验,实现了大气模式的激光垂直推进,飞行高度超过了1m。实验测定了多种工作状况下光脉冲能量转变为飞行器动量的推进效能,测得的光能－冲量耦合系数C_m达到27.7dyne·s/J,与国外文献报道相当。     

地基激光器发射微卫星的方案设计与弹道优化计算

1引言随着高功率激光技术的发展,用地基激光器发射近地轨道卫星将成为可能。上世纪90年代初Hum-bleW E和Pierson B L提出用一台地基300 MW的CO2激光器把初始质量为1 900 kg的飞行器发射到近地轨道[1]。飞行器的弹道在初始段有一向后运动的“后摆”段。这种弹道可以充分利用激光     

推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

对于采用吸气式超燃冲压发动机的高超声速飞行器,其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响,从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究,以简化的飞行器纵向模型为对象,考虑结构弹性、非定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用,建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力,基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明,考虑发动机推力的耦合影响后,飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变,气动伺服弹性稳定裕度下降可达16%,应当引起飞行控制系统设计部门的重视。     

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。     

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。     

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.