抛物型激光推进光船构型设计与特性分析

以轴对称Navier-Stokes方程组为基础,将球面激光支持的爆轰波模型与流场控制方程组进行耦合求解,数值模拟了抛物型激光推进光船的工作过程。计算中对激光支持的爆轰波阵面进行实时追踪,以获得激光能量吸收源项,同时采用Gupta建立的高温平衡空气模型来计算工质的热力学参数和输运特性。并用所发展的数值模拟程序研究了不同构型设计光船的推进性能。最后分析了流场流动特性和推力生成机制。结果表明,推力面离焦点距离越近,光船获得的冲量耦合系数越大,而峰值推力越小。     

激光支持爆轰波的仿真研究

采用了爆轰波的C-J起爆模型,计算了激光支持爆轰波初始参数,得到激光功率密度与爆轰波波面初始参数的关系.利用流体力学的方法建立爆轰渡在靶与约束层双重约束作用下的二维辐射膨胀模型,用Fluent软件进行仿真研究,得到了激光冲击强化后不同时间对应的爆轰波压力和轴向速度分布,仿真结果与激光冲击强化GH742试件后表面残余应力分布的实验结果一致.     

光船对气液两相介质激光支持爆轰波影响的数值模拟

建立了气液两相介质单脉冲激光支持爆轰波的数值模型,结合光船边界条件,数值模拟爆轰波及其周围流场的演化过程,分析温度、压力、速度场在爆轰波发生时的变化特性和演化形态。研究表明:有无光船边界在30μs前爆轰波发展趋势基本一致。激光作用结束后,焦点范围处温度压力均达到最大,速度继续上升达到最大后逐渐衰减。温度最大值一直在焦点附近,压力最大值则是在激光作用时出现在中心处,激光作用结束后,转移到波阵面上,而速度最大值发生在冲击波波阵面上。光船模型中,冲击波会与壁面发生耦合作用,冲击波的反射与叠加作用使最大温度中心会向外偏移,压力和速度会在壁面与冲击波边沿接触面的两侧处达到最大值,向内侧逐渐减小。      

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。     

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。     

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。     

聚焦角度对空气中激光维持爆轰波的影响

吸气式激光推进的激光能量沉积过程主要发生在激光支持的爆轰波（LSD波）的形成与演化阶段,分析LSD波的传播规律和影响因素对揭示能量沉积机理起到基础性作用。利用纳秒四分幅高速相机和延长光路的纹影系统,拍摄了不同聚焦角度下CO₂激光经透镜聚焦击穿空气流场的纹影照片,结合一维理论公式分析了LSD波速度。结果表明：在本文的实验条件下,吸气式激光推进击穿空气经历了LSD波和激光支持的燃烧波（LSC波）两个阶段, LSD波阶段的持续时间约7.1 μs;3种聚焦角度下LSD波速度与理论公式预测的整体趋势比较吻合;聚焦角度越小,LSD波的初始速度越大,聚焦角度θ=4.29°时实验数据达到约14 km/s。     

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。     

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。     

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。     

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。     

光束扩展、光船倾斜和漂移对光船自由飞行演示的影响

为了研究光船的地面演示自由飞行试验中激光束扩展、光船相对激光束的倾斜和漂移等因素对光船飞行高度的影响,采用了理论分析和数值模拟相结合的方法。分析表明,激光束的扩展将导致光船接收激光功率的减小,光船相对于光束的倾斜会影响激光的聚焦和光船推力方向,但光船的倾斜力矩不会在飞行过程中累积而使光船倾斜过大,而光船的漂移则会改变光船推力以及侧力的大小。光船飞行数值模拟仿真表明,在横向偏移扰动下,光船在没有达到最大可能高度之前将脱离光束从而失去动力。研究结果显示,减小光船的横向偏移和激光束的发散角可以有效提高光船垂直上升的高度。     

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。     

激光推进发射微小卫星弹道仿真与分析

建立了初步的激光大气传输模型和光船的三维运动模型,通过对单站大气盘旋入轨模式下的推进弹道仿真分析可知,单站推进模式下激光在稠密大气层中行程较大,激光传输衰减严重。针对上述问题,以激光推进发射微小卫星为应用目标,提出了基于过顶接力和等光程接力两种方式下三站入轨的推进模式,给出并分析了相应的仿真结果,并利用等光程接力方式分析了激光推进发射微小卫星的运载能力。结果表明,三站等光程接力方式可以有效的解决激光传输问题,减小了激光在稠密大气层中的传输距离和激光的传输损失,提高入轨质量。     

吸气模式激光推进空气等离子体光谱

利用实验室自行研制的紫外预电离CO2激光器进行了激光等离子体实验,实验采用底面直径均为60mm,焦距分别为5 mm和10 mm的两种抛物面光船。介绍了激光等离子体光谱和明显的特征谱线,以及激光等离子体温度估计模型;分析了两种光船对激光等离子体的影响。实验表明:相同底面直径10 mm焦距光船产生的等离子体信号峰值和持续时间均略大于5 mm焦距光船;10 mm焦距光船产生的等离子体温度明显高于5 mm的,最大温度产生时间比5 mm光船要晚一些。     

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。     

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