强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究

强激光烧蚀是一个复杂的物理化学过程,包括质量迁移、相变、运动边界等诸多复杂因素。如果靶为复合材料,烧蚀机理更加复杂,而且很难找到共性规律,这对数值计算方法提出了较高的要求。文章介绍了强激光烧蚀的理论基础、烧蚀模型以及对强激光烧蚀进行数值模拟的无网格方法（光滑粒子动力学方法,即SPH方法）。采用了SPH方法对典型靶的激光烧蚀进行了数值模拟,并给出了单层铝靶和环氧树脂/铝双层靶在激光辐照下的烧蚀形貌与温度场。计算结果表明,在不同材料的交界面,烧蚀将沿径向发展。     

Design of a formation of solar pumped lasers for asteroid deflection

This paper presents the design of a multi-spacecraft system for the deflection of asteroids. Each spacecraft is equipped with a fibre laser and a solar concentrator. The laser induces the sublimation of a portion of the surface of the asteroid, and the resultant jet of gas and debris thrusts the asteroid off its natural course. The main idea is to have a formation of spacecraft flying in the proximity of the asteroid with all the spacecraft beaming to the same location to achieve the required deflection thrust. The paper presents the design of the formation orbits and the multi-objective optimisation of the formation in order to minimise the total mass in space and maximise the deflection of the asteroid. The paper demonstrates how significant deflections can be obtained with relatively small sized, easy-to-control spacecraft.     

火箭发动机尾焰流场注水降温效果初探

为了对超声速高温燃气射流的注水降温机理进行探索,对该类流场进行了数值模拟和实验研究。气-液两相流场采用Mixture多相流模型进行计算,液态水的汽化过程通过耦合水的汽化方程来模拟。实验现象采用高速摄影和红外热像仪进行拍摄,并且在冲击平板上布置了热电偶温度测点。通过对仿真计算得到的温度云图与实验结果进行比较发现,无论是流场形态还是温度场分布,两者都十分吻合,证明了计算模型的适用性。结果表明:液态水和燃气的掺混汽化吸热效果显著,高温区域由于注水影响缩小到一个类锥形区域;迎气面温度大大降低,热冲击烧蚀效应得到有效缓解,尤其是中心部位降温效果最为明显,注水后温度仅为原温度值的60%左右。     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

激光模式对典型金属材料烧蚀影响的数值模拟研究

利用自编的LAMP程序计算了铝、镁和钛等3种金属材料的激光烧蚀温度场,重点分析了激光作用模式对烧蚀效果的影响,并考虑了材料表面反射系数随温度变化的情况。计算结果表明,对于同样的金属靶,当光斑和激光平均功率相同时,重频频率小、占空比小的激光烧蚀贯穿靶所需的时间最少。     

平板空气舵干扰区烧蚀凹陷对热环境影响

针对高速飞行条件下空气舵干扰区烧蚀产生的局部凹陷对气动加热的影响问题,建立了平板-空气舵流动模型,针对典型高速飞行状态,采用高温热化学非平衡数值模拟,研究了空气舵缝隙区的流动结构和气动加热规律,并对舵缝干扰区的烧蚀外形进行了模化,分析了干扰区烧蚀凹陷对流动结构和气动加热的影响,结果表明:烧蚀凹陷改变了干扰区压力分布规律,降低了沿展向压力梯度,从而抑制了边界层的横向流动和厚度减薄效应,使得干扰区热流降低,且热流降低量值与烧蚀凹陷深度呈正相关,凹陷深度为5 mm时干扰区热流降低量达到28.9%。      

高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。     

长尾喷管传热及烧蚀特性研究

针对长尾喷管的热防护问题,本文采用实验和数值仿真结合的方法,研究了采用SQ-2推进剂固体火箭发动机复合结构长尾喷管的传热以及烧蚀特性。仿真程序采用基于格心的有限体积法,对流体域求解Navier-Stokes方程,对固体域求解热传导方程,湍流模型采用k-ω SST模型,通过保证热流密度大小相等、温度连续的方法实现耦合传热计算;在以上仿真计算方法的基础上建立了基于热解动力学的变热物性模型描述碳/酚醛材料的体积烧蚀,并采用简化的异相反应模型对喷管热化学烧蚀量进行计算。结果表明在收敛段和等直段区域压强变化较小,炭化层厚度和烧蚀量与温度分布相似, 并在距离等直段入口约1.6mm位置达到极小值。碳/酚醛材料炭化速率随时间减小,烧蚀速率随时间增长趋于稳定,而喉衬区域C/C复合材料烧蚀速率随时间增加。     

固体火箭发动机喷管集成设计分析技术研究

固体火箭发动机喷管不仅结构形式多样,而且工作条件恶劣,长期以来难以找到一种通用的设计计算和分析的一体化方法。文中在大量研究喷管的结构形式、流动模型及传热模型基础上,利用先进的计算机辅助设计技术、有限元技术和两相流分析技术,研制出了喷管一体化设计、分析和计算软件。它可为喷管的热结构分析和发动机工作过程数值模拟提供参考。