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。     

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。     

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。     

超机动飞行推进系统稳定性控制研究

研究了超机动飞行推进系统稳定性控制。为增强过失速机动飞行条件下发动机稳定性,提出了通过增加风扇压比控制回路的发动机稳定性控制方案,并给稳定控制压比指令算法,在已建立的飞机和发动机非线性模型的基础上,进行了系统仿真。结果检验了稳定性控制概念的合理性。     

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。     

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。     

一种用于激光烧蚀微推进的比冲直接测量方法

比冲是评价激光微推进性能的重要指标,比冲的精确测量有助于分析激光与工质的烧蚀耦合机理,也有助于激光烧蚀微推力器的设计。为了对激光烧蚀工质比冲参数进行直接测量,采用垂直运动的扭摆模型,使单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用和异向作用各一次的方式获得相应冲量和烧蚀重量,从而可以直接获得比冲。研究结果表明,根据每次扭摆转角最大峰值和达到最大峰值之前的转角测量值可得到冲量,根据每次扭摆转角的稳态转角均值可得到工质烧蚀重量,结构设计中,横梁的结构尺寸是扭摆的设计关键。提出一种可以同时测量出单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量和相应烧蚀重量的方法。     

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。     

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。     

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。     

激光推进加速飞行器的飞行控制与数值仿真

激光能够照射到的区域受到限制,飞行器只能在这个范围飞行并尽可能获得较大的速度.考虑两种不同的加速方式:竖直平面内直接加速和螺旋加速,使用程序调参飞行控制技术确定操纵面偏转角度,控制飞行器轨迹,并且给出了相应的仿真结果.结果表明,操纵控制下的飞行器能够按照预定轨迹飞行;使用螺旋加速方式,可以延长激光加速的时间,但是这两种加速方式最后得到的速度差不多, 而螺旋加速的操纵复杂,因此竖直平面内直接加速有一定的优势.     

重复使用天地往返运载器飞行弹道计算研究

介绍了应用于吸气式重复使用天地往返运载器的RBCC动力,根据动力学和运动学方程及地球物理方程式,利用数值积分方法,计算并比较了采用RBCC动力水平起飞、垂直起飞及纯火箭动力垂直起飞的运载器飞行弹道。计算结果表明,相比于纯火箭动力,RBCC动力有效地降低了运载器的燃料消耗量,但热环境明显要恶劣。     

前飞状态旋翼动稳定性及自由度间相互作用研究

为研究直升机在前飞状态下的稳定性,建立了前飞状态下旋翼的结构模型、气动力模型和平衡方程组。对方程组的周期系数处理以及前飞时的相关参数对旋翼动稳定性的影响等进行了研究。在前飞动稳定性分析中引入动力入流自由度。从分析各个自由度间的相互作用入手揭示旋翼动不稳定性的物理本质及影响因素。      

基于非线性动态逆的SRLV再入段控制律设计

基于非线性动态逆理论,设计了亚轨道可重复使用运载器(SRLV)的再入控制律.首先,分析了SRLV再入段的数学模型,并给出了反作用推力控制系统(RCS)的控制模型;其次,将非线性动态逆方法与时标分离原则相结合,考虑飞行器姿态控制系统的外环角回路的慢变特性和内环角速度回路的快变特性,独立设计了两个回路的控制律;最后,为了增强系统的鲁棒性,分别在两个回路中引入了比例-积分反馈,有效地抑制了干扰力、力矩和非线性对消带来的逆误差.仿真结果表明,设计的控制律对SRLV再入段具有很好的控制效果.     

某电动飞翼无人机横航向稳定性飞行试验研究

针对飞翼横航向稳定性和惯量特征,采用飞行试验的方法进行探索研究。通过设计不同横航向稳定性和不同惯量特征的飞翼试验机,对其进行飞行试验,对比其飞行试验结果,摸索电动飞翼无人机的横航向设计特点以及转动惯量的配置方法。该研究为此类飞机的稳定性设计提供了依据。     

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。     

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.     

飞行轨迹稳定性应用的分析

首先根据飞行轨迹稳定性的数学模型,得出了飞机在闭环条件下扰动过程速度的变化规律及飞行轨迹稳定性的应用条件,并且结合不同类型的飞机进行了对比分析。然后以推力曲线为基础分析了不同类型飞机的临速度范围,并根据飞机级曲线对飞行轨迹稳定性界状态与有利速度的关系进行了分析。     

先进战斗机纵向飞行特性与放宽静稳定度研究

放宽静稳定度在先进战斗机设计领域已获得广泛应用,与其相关的主动控制技术仍有进一步研究的价值,需要对放宽静稳定度对飞机纵向飞行性能的影响进行更全面的分析。以重心后移作为放宽静稳定度的方式,分析放宽静稳定度与某型战斗机俯仰力矩系数的关系,构建战斗机非线性模型并进行开环特性分析,在此基础上,分析放宽静稳定度对飞机运行平衡点的影响机理,对战斗机非线性模型进行线性化,并分析放宽静稳定度对飞机纵向线性模型阶跃响应特性和长短周期模态特性的影响。结果表明：放宽静稳定度可增大战斗机的俯仰力矩系数,提高飞机性能,但可能会使飞机本体模态特性变差,需要在设计控制率时予以考虑。     

飞行控制律全包线鲁棒稳定性评估

传统的飞行控制律评估方法只能对飞行包线内的离散点进行逐点分析,对不确定性参数也只考虑了上下界,分析过程缺乏完整性和系统性。针对这些不足,研究了基于一种改进遗传算法的分析方法,该方法将评估准则转化为某个适应度函数,通过对适应度函数寻优以找到最坏情况下的不确定参数组合,在其基础上进行评估并给出评估结果或控制律修改意见。仿真结果表明,该方法能连续地研究多个不确定性参数同时摄动时的飞行包线,克服了传统方法的不足。