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。     

亚声速来流对吸气式纳秒激光推进性能的影响

针对亚声速来流条件下吸气式纳秒激光推进的机理,通过Fluent流体仿真软件,数值模拟不同来流马赫数条件下推进器内外流场的演化过程,分析来流速度对推进性能的影响。结果表明:低速条件下,空气来流强度小,对推进器和激光冲击波的影响较小,冲击波近似自由向外传播,与推进器作用较为充分,使得冲量耦合系数较高;随着亚声速来流的增大,自由空气来流强度增大,推进器所受阻力增大,并抑制冲击波自由传播,加速冲击波耗散,缩短冲击波的有效做功时间,导致冲量耦合系数快速下降。     

吸气式激光推进单脉冲性能实验研究

利用实验室建立的多种测量系统,组合不同的聚焦及约束条件,广泛进行了吸气式激光推进单脉冲性能实验研究。给出了气压、单脉冲能量和实验件构形对冲量耦合系数影响规律,发现随实验条件变化存在不同的冲量耦合系数稳定区间;测量了单脉冲激光推力加载过程,其持续时间约为170μs,峰值约为200 N;获得了不同约束和不同能量下的流场波系结构,认为激波速度大、有效作用时间长有利于获得高的冲量;进一步综合分析了目前吸气式激光推进的研究局限和发展方向,为重复多脉冲性能研究奠定了很好的实验方法和数据基础。     

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。     

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。     

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。     

激光脉宽对含碳粉GAP推进剂推进性能影响初步研究

针对激光烧蚀微推进技术中推进剂微推力偏小、冲量耦合系数较低的现状,设计了掺杂碳粉的聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂。利用低功率半导体激光器,对GAP推进剂的推进性能进行了测试和分析,获得了不同脉宽条件下,比冲、冲量耦合系数的变化规律。研究结果表明,激光功率7W、脉宽2ms时,推进剂比冲和冲量耦合系数最大分别为100s和195μN/W。     

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。     

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。     

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。     

飞行状态下脉冲爆震发动机性能估计分析

在理想单循环脉冲爆震发动机分析模型的基础上,通过引入进气道建立了一定飞行状态下的自吸气的脉冲爆震发动机理论性能计算模型,研究了当飞行状态改变时,脉冲爆震发动机的性能变化趋势,计算结果表明,对给定模型,飞行高度和飞行马赫数对脉冲爆震发动机性能的影响是不一样的,决定于进气道和爆震室的推进特性,同时模型也考虑了爆震频率和爆震室直径对性能的影响,这为脉冲爆震发动机的理论设计和分析提供了一定依据。      

波瓣喷管结构参数对引射混合器性能影响的数值研究

通过三维CFD数值计算,研究了波瓣喷管几何结构参数对波瓣喷管引射-混合器的影响规律。计算结果表明:瓣宽增加导致引射流量和波瓣出口处速度环量减小,热混合效率降低,但可以减小混合流动损失,提高总压恢复系数。波瓣扩张角的改变,对引射流量的改变因不同混合管尺寸而异,在混合管直径较小时,随着波瓣扩张角在20~°90°范围内增大,引射流量呈先增加后减小的趋势;在混合管直径较大时,引射量持续提高。扩张角的增加可提高速度环量,但是流动混合损失增加,总压恢复系数减小。      

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.     

轴对称矢量喷管外流对内流干扰研究

应用有限体积法在同位网格中对控制方程进行离散化,对某一轴对称矢量喷管的内外流场进行了数值模拟,数值模拟和试验结果进行了比较,分析了该喷管在矢量偏角20°下,不同的落压比、不同的外流速度对轴对称矢量喷管内流的影响。研究结果表明,喷管内的分离激波是影响轴对称矢量喷管性能的重要因素。      

激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟

对连续激光维持的等离子体加热推力器内流场建立一种计算模型,考虑的物理机制包括化学反应、高温气体性质、激光吸收、黏性、扩散、热传导以及辐射效应,模型方程形式为可压缩轴对称Navier-Stokes方程,对方程采用SIM-PLEC算法求解.在吸收室压强、聚焦光束形状参数及喷管构型相同的条件下,模拟了氩为工质的推力器比冲随激...     

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.     

基于流固耦合的实体元空心叶片鸟撞数值模拟

针对通用流固耦合算法在模拟实体元结构破坏上的不足,以MSC.DYTRAN软件为平台,研究了不考虑和考虑失效的实体元平板叶片流固耦合数值模拟方法。在此基础上,建立了实体元空心叶片鸟撞瞬态动力学有限元模型,计算分析了叶片在稳定旋转状态下遭受不同密度、长度、半径及速度鸟体撞击下的叶片应力的瞬态响应,计算表明：上述参数值增加均会增大叶片的应力峰值,并且对应力峰值的影响都不是线性的。最后模拟了叶片的失效过程。     

材料参数对叶片鸟撞动响应影响数值模拟

基于鸟撞铝板的试验结果,用MSC.Dytran软件验证了计算模型的可行性。在此基础上,建立了鸟体正撞击平板叶片的有限元模型,计算了叶片的材料参数对平板叶片鸟撞动响应的影响。