杂质对尾流化学动力学和电子密度的影响

本文研究杂质对尾流化学动力学与电子密度的影响。这种影响是通过把杂质(Na、H_2O、F_2、C_2F_4)加入到空气尾流中,进行数值模拟计算而获得的。化学体系是由26种粒子,35个化学反应组成的。为了独立地判断各类化学反应(杂质)的作用,把复杂的化学体系分解为由简到繁的九个化学子体系,它们是:Air、Air-Na、Air-F_2、Air-C_2F_4、Air-C_2F_4-F_2、Air-H_2O-Na、Air-F_2-Na、Air-C_2F_4-Na、Air-C_2F_4-F_2-Na。计算结果表明,杂质对尾流电离起着明显的影响,特别是Na,它能使纯空气尾流电子密度增加1～3个量级。另外也表明,与Air-F_2子体系一样,Air-C_2F_4子体系的电子衰减的主要机理是F_2、F对电子的吸附反应,该反应产生大量F~-离子,同时清除了尾流中大部分电子。     

C/C喉衬热化学烧蚀的高维不确定量化分析

为了定量化地评估SRM喷管喉衬烧蚀这一复杂物理化学过程中,不同因素相互制约或激励对喉衬烧蚀整体情况产生的耦合影响,并探寻影响喉衬烧蚀率的关键因素,应用自主研发的高维不确定量化算法,有效解决“维度灾难”问题,研究了燃烧室压强、燃气比热比等７个因素对烧蚀的耦合影响规律,并通过全局敏感度分析技术探究了不同关键因素对烧蚀率变化的贡献程度。研究发现:就烧蚀模型物理机制本身而言,影响烧蚀率的关键因素为燃气比热比、喉部马赫数和燃气温度;考虑实验实际中相关物理量的不确定性输入后,燃烧室压强由于自身较大的不确定度输入成为影响烧蚀率的首要因素。     

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N2,O 2,NO,N,O,NO +,N+2,O +,N+,CO,CO 2,C,C2,C3,CN,e-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O 原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流 Ma =10~30,总焓值6~55 MJ/kg 范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

富氧环境模拟绝热层烧蚀试验方法

发展了一种能模拟固体火箭冲压发动机补燃室富氧环境并用于绝热层烧蚀研究的试验方法。用常规燃气发生器产生的燃气,与补进的氧气(氮气)、空气混合,通过控制流量,模拟固冲发动机补燃室内的压强、流量、燃气温度和富氧度等参数。组建了试验系统,对燃气参数进行了校测,并开展了4种绝热材料在富氧环境下的烧蚀试验。结果表明,该系统能够模拟富氧烧蚀环境,可利用该试验方法开展富氧环境下绝热层配方筛选和烧蚀机理研究。     

固体火箭发动机前封头人工脱粘层烧蚀研究

从理论分析的角度出发．通过对人工脱粘层和绝热层所构成的槽缝燃气温度场与烧蚀的耦合计算，得出了人工脱粘层的烧蚀规律。在计算中，采用了隐式差分格式及控制容积法等计算技术，并采用了先进的烧蚀模型。为模拟发动机静止与飞行两种不同状态，本文对不同宽度的槽缝人工脱粘层的烧蚀进行了计算，对其进行了比较。本文所采用的方法可供今后人工脱粘层的设计参考。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀质量损失计算

运用较完备的烧蚀模型，采用了动边界显式差分格式，对固体火箭发动机内绝热层的烧蚀及其温度场进行了耦合计算。计算得到烧蚀率、炭化率、烧蚀厚度和炭化厚度，以及根据绝热层的工作时间计算出内绝热层的质量损失及发动机工作完成后一段时间内后效炭化质量损失。采用该方法不仅能使内绝热层设计更为合理，而且为后效推力的研究打下了基础。     

天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

L׳ADROIT – A spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing

Small (1–10 cm) debris in low Earth orbit (LEO) are extremely dangerous, because they spread the breakup cascade. Pulsed laser active debris removal using laser ablation jets on target is the most cost-effective way to re-enter the small debris. No other solutions address the whole problem of large (~100 cm, 1 t) as well as small debris. Physical removal of small debris (by nets, tethers and so on) is uneconomical because of the energy cost of matching orbits. In this paper, we present a completely new proposal relative to our earlier work. This new approach uses rapid, head-on interaction in 10–40 s rather than 4 minutes, using 20–40 kW bursts of 100 ps, 355 nm UV pulses from a 1.5 m diameter aperture on a space-based station in LEO. The station employs “heat-capacity” laser mode with low duty cycle to create an adaptable, robust, dual-mode system which can lower or raise large derelict objects into less dangerous orbits, as well as clear out the small debris in a 400-km thick LEO band. Time-average laser optical power is less than 15 kW. The combination of short pulses and UV wavelength gives lower required fluence on target as well as higher momentum coupling coefficient. An orbiting system can have short range because of high interaction rate deriving from its velocity through the debris field. This leads to much smaller mirrors and lower average power than the ground-based systems we have considered previously. Our system also permits strong defense of specific assets. Analysis gives an estimated cost less than $1 k each to re-enter most small debris in a few months, and about 280 k$ each to raise or lower 1-ton objects by 40 km. We believe it can do this for 2000 such large objects in about four years. Laser ablation is one of the few interactions in nature that propel a distant object without any significant reaction on the source.     

热解气体燃烧对炭化复合材料烧蚀热响应影响规律

在近空间高超声速飞行器飞行时间长、马赫数不断增加的发展趋势下，热防护与轻量化的矛盾越来越突出。基于此，开展了热解气体燃烧对炭化复合材料表面烧蚀影响的相关数值模拟研究，并与风洞试验结果进行了对比。结果表明：热解气体的燃烧可降低炭化复合材料表面的烧蚀厚度，并且随着气动热的增加，热解气体燃烧对材料表面碳的保护作用越来越明显。研究成果可为下一代近空间高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供技术支撑。     

不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟

为了研究复合材料不同的雷击防护(lightning strike protection,LSP)系统在雷电流作用下的损伤规律,对雷击损伤过程和烧蚀机理进行分析,建立复合材料层合板雷击防护的能量平衡数学模型。在此基础上,在ABAQUS中建立复合材料基准件、全喷铝和局部喷铝防护系统的碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层合板电-热耦合有限元模型,和实验结果对比验证模型的有效性,对雷击烧蚀损伤特征进行分析,并引入雷击烧蚀损伤指数DI,得出三种不同模型在不同铝涂层厚度、不同峰值雷电流作用下的烧蚀损伤规律,并对两种不同的局部喷铝防护系统下复合材料的损伤特征进行对比分析。结果表明:雷击防护系统下复合材料的烧蚀损伤面积和铝涂层厚度关系进行函数拟合,两者均满足幂函数关系。