燒蝕模式激光推進的機理及實驗研究.pdf

1、激光推進是利用高能激光與工質(zhì)相互作用產(chǎn)生的反作用力推動飛行器前進的一種新概念推進技術。與傳統(tǒng)的化學推進相比,激光推進在概念上的創(chuàng)新主要可歸結(jié)為兩個分離:1、工質(zhì)和能量的分離,2、飛行器和能源系統(tǒng)的分離。從是否消耗自身攜帶工質(zhì)看,激光推進的驅(qū)動模式可分為兩類:大氣模式和火箭燒蝕模式。本文就火箭燒蝕模式激光推進進行探討,采用模型分析、數(shù)值模擬以及實驗研究等幾個方面,從物理、力學的角度深入研究燒蝕模式激光推進的物理機理和力學規(guī)律,得到了一些有

2、益的結(jié)果。
　　以激光與固體靶相互作用的動態(tài)物理過程為線索,分析了燒蝕模式激光推進的基本原理,并將其劃分為三個過程階段:①靶材料表面的受熱氣化過程;②靶面蒸氣與入射激光的相互作用并使得蒸氣繼續(xù)電離、升溫的過程;③靶面蒸氣等離子體的膨脹運動過程。激光燒蝕壓力和沖量耦合系數(shù)是衡量激光推進效應的重要參數(shù),詳細分析了基于LSD的激光推進效應力學模型。
　　介紹了一維輻射流體動力學代碼MEDUSA,給出了MEDUSA程序的主要計算流程

3、圖。采用MEDUSA程序?qū)蚊}沖激光與固體靶相互作用的動態(tài)物理過程進行了數(shù)值模擬計算。得到了一維情形下等離子體各參數(shù)(粒子速度、密度、溫度)的隨時間以及空間的變化,并給出了動態(tài)燒蝕面(激光束與固體靶的作用面)壓力隨時間的動態(tài)變化規(guī)律。采用燒蝕壓力隨時間積分的方法計算固體靶所獲得的作用沖量,分別計算了鋁靶材料和C-H靶材料在不同激光參數(shù)條件下的推進性能。計算得到的沖量耦合系數(shù)與實驗結(jié)果以及經(jīng)驗模型進行了比較,結(jié)果表明,數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)

4、果符合較好。
　　采用一種平均電離度的簡易快速計算方法并由此給出等離子體狀態(tài)方程,以及具有五階精度的加權(quán)本質(zhì)無振蕩差分格式-WENO建立了燒蝕模式激光推進數(shù)值模擬程序,考慮了入射激光與固體靶的相互作用,著重于激光與固體靶面蒸氣等離子體的相互作用與能量耦合,用于模擬激光作用于固體靶產(chǎn)生等離子體噴射的全過程,包括固體靶表面吸收激光能量氣化、電離產(chǎn)生等離子體,入射激光與靶面等離子體的能量耦合及能量屏蔽,靶面的后續(xù)動態(tài)燒蝕。進行了以下幾個

5、方面的數(shù)值計算:①靶面等離子體流場計算，包括給定初始等離子體團以及靶面動態(tài)燒蝕兩種情形，給出了脈沖激光作用下等離子體流場各參量(密度、溫度、壓力、粒子速度和電離度等)隨時間的動態(tài)變化;②能量藕合規(guī)律分析，給出激光能量在等離子體中的動態(tài)藕合分布規(guī)律;③激光燒蝕推進力學性能計算，數(shù)值模擬了不同激光參數(shù)條件(激光功率密度、波長、脈沖寬度)以及不同氣壓環(huán)境條件下的推進性能參數(shù)(沖量禍合系數(shù)、比沖等)，給出推進優(yōu)化的初步分析結(jié)果。
　　模擬

6、了燒蝕模式下固體靶橫向尺寸與光斑大小的禍合關系。數(shù)值計算結(jié)果表明，在激光燒蝕作用過程中，固體靶所獲得的推進沖量隨著靶橫向尺寸的增加而增大。但是當靶橫向尺寸為光斑大小的兩倍以后，沖量增加的速度開始減緩，并在達到三倍以后，沖量只是以很微小的量在增加。
　　模擬了在固體靶上增加約束噴管對增強推進效應的貢獻。增加約束噴管主要起到兩個方面的作用:增大靶面推力以及約束靶面燒蝕等離子體的自由膨脹使得激光脈沖結(jié)束以后靶面等離子體壓力衰減速度減慢。

7、計算結(jié)果表明，增加約束噴管可以較大幅度提高靶獲得的推進沖量，并且沖量隨著噴管橫向尺寸的增大先迅速增大，在達到最大值以后開始減小，并趨于與沒有約束噴管時的沖量相同。
　　進行了一系列燒蝕模式激光推進的實驗研究。采用欽玻璃激光器進行了燒蝕模式單脈沖垂直發(fā)射小彈丸試驗，將5.87克重的小彈丸垂直發(fā)射到1.48米的高度。進行了大氣環(huán)境下激光燒蝕小鋼珠的實驗以及激光擊穿大氣實驗，分析了兩種燒蝕狀態(tài)下不同實驗結(jié)果及產(chǎn)生不同物理現(xiàn)象的機制及形成