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。     

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。     

Study on Energy Law of Similitude for Laser Propulsion in Repetitively-pulsed Mode

Energy law of similitude for laser propulsion refers to the law that there is an optimum nozzle configuration for the largest value of impulse coupling coefficient at certain incident laser energy. A dimensionless factor combined with incident laser energy, nozzle configuration parameters and working gas parameters is introduced. Energy law of similitude is established by means of theoretical analysis, experimental study and numerical simulation of radiation gas-dynamics. The qualitative results obtained from theoretical analysis are verified by experimental and numerical results. Physical meaning and engineering application of dimensionless factor and energy law of similitude are analyzed. Results indicate that

impulse coupling coefficient has a maximum value with dimensionless factor of about 0.4;

impulse coupling coefficient is independent of incident laser energy when dimensionless factor is constant. Conclusions and recognitions acquired in this article can not only present optimum nozzle configurations for the present laser energy level, but also provide a good guide for the optimum nozzle configuration design once the laser energy is amplified to a high level.     

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。     

激光光船周围连续/稀薄混合流场的数值模拟

当火箭模式激光推进器在高空稀薄大气中飞行时,需要在激光聚焦区附近喷射稠密气体工质,从而利用激光聚焦击穿气体工质形成等离子体,为光船提供推力。为了分析该光船的推力产生过程,采用连续流体力学计算方法(CFD)和直接数值模拟蒙特卡洛方法(DSMC)耦合的混合算法,数值模拟飞行高度为80 km飞行马赫数为5的激光光船周围高温连续气体和稀薄环境大气耦合的非定常混合流场,并得到推力随时间的演化曲线。结果表明,稀薄效应明显增加了激波厚度,高温效应延迟了推力的产生,并导致冲量耦合系数和比冲的降低。     

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。     

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。     

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。     

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     

基于应变片的双脉冲推力测量初步实现

为了获得激光推力器在多脉冲激光作用下产生推力的变化情况,建立了一套基于半导体应变片技术的双脉冲推力测试系统,介绍了系统标定及测试原理。在单脉冲能量80 J,重复频率10 Hz的条件下进行了实验,实验结果表明:该测试系统响应速度快、精度高,实验结果可信;同时发现,在双脉冲激光作用下,推力器产生的脉冲推力大小和推力的持续时间均会减小,冲量耦合系数也有所降低,与文献报道实验测量结果基本一致,对激光发动机的理论和数值研究具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

Design and experimental research of a sub-Newton N2O monopropellant thruster with inner-heater

Nitrous oxide（N₂O） is a green propellant with excellent application prospects. A subNewton N₂O monopropellant thruster with inner-heater and a N₂O self-pressurization stable supply system with regenerative heat compensation are designed in this paper. The experimental research of the thruster is described, including measurements of preheating power, activation temperature, vacuum thrust, specific impulse, life-span and pulsed operation performance. By inserting t...     

不同辅助启动材料对激光推进器冲量的影响

为了获得不同辅助材料对激光推进器工作性能的影响,利用高速运动分析仪测量冲击摆的最大摆角,根据摆角确定激光推进器的冲量,测量了不同辅助启动材料下激光推进器冲量。在压强为0.1 MPa时,POM辅助下激光推进器冲量为4.6 mN.s,是未辅助时的2.496倍。试验结果表明:大部分辅助启动能够明显地增强等离子体的能量吸收率,高分子材料POM的辅助启动效果最佳;随着环境压强的下降,辅助启动的作用更加重要。     

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。     

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。     

基于亚燃的高超声速冲压发动机内流道研究

为了研究亚燃冲压发动机在高超声速条件下工作的性能,采用总体性能计算方法和流体力学仿真对基于突扩燃烧的高马赫数亚燃冲压发动机内流通道进行匹配设计研究,得到了其速度特性和调节特性。结果表明,设计出的亚燃冲压发动机在高超声速范围内性能良好,能够正常工作。在接力点处,马赫数Ma=3.5,高度H=12km,得到最大推力系数为0.649,此时比冲为13 801.2N·s/kg;在巡航点处,Ma=5.0,H=21km,发动机余气系数α=1.8时,得到推力系数为0.370,此时最大比冲为12 574.0N·s/kg。研究认为,最大飞行马赫数为5~6的高超声速冲压发动机采用亚燃是可行的。     

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。