脈沖激光輻照聚合物工質(zhì)燒蝕推進(jìn)機(jī)理與性能優(yōu)化研究.pdf

1、本文以激光推進(jìn)火箭發(fā)射納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星為背景，針對脈沖激光輻照聚合物工質(zhì)的熱解、產(chǎn)物飛散反沖作用、產(chǎn)物羽流場中激光支持燃燒波/爆震波的形成和傳播、聚合物中摻雜金屬顆粒剝蝕、鑲嵌金屬絲羽流場發(fā)展等主要現(xiàn)象和問題，采用理論分析、數(shù)值仿真為主，輔以實驗校驗的方法，開展脈沖激光燒蝕聚合物工質(zhì)的推進(jìn)機(jī)理與性能優(yōu)化研究。
　　提出描述激光脈沖輻照期間質(zhì)量損失進(jìn)程的分層燒蝕模型，建立了一種燒蝕過程控制的激光燒蝕推進(jìn)（Laser ablation

2、propulsion, LAP）性能解析計算方法，可給出燒蝕質(zhì)量隨時間變化的過程，能反映激光光強(qiáng)、脈寬、工質(zhì)吸收系數(shù)、熱導(dǎo)率和比燒蝕能等因素對推進(jìn)性能參數(shù)的影響，與實驗數(shù)據(jù)對比表明計算方法合理有效。
　　建立了一個激光燒蝕聚合物工質(zhì)沖量產(chǎn)生過程模型，可反映聚合物熱解率變化引起的跨臨界溫度燒蝕機(jī)制轉(zhuǎn)變及其對羽流場入口組分和狀態(tài)參數(shù)的影響，考慮了十四組元化學(xué)平衡組成、產(chǎn)物電離和等離子體發(fā)展等過程，能描述羽流場組分演變及其對入射激光的動

3、態(tài)屏蔽效應(yīng)；采用自編程序與商用軟件協(xié)作實現(xiàn)了數(shù)值仿真系統(tǒng)。通過與經(jīng)典算例的解析或者數(shù)值結(jié)果比對，以及與燒蝕實驗的羽流場超高速成像和沖量測量結(jié)果對比，表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、計算結(jié)果合理可信。
　　數(shù)值研究了單脈沖和雙脈沖激光燒蝕聚合物沖量產(chǎn)生機(jī)理和推進(jìn)性能，研究了激光能量面密度和激光能量時域分布對LAP沖量產(chǎn)生過程和推進(jìn)性能的影響，給出了單脈沖LAP性能與光強(qiáng)和脈沖的二次回歸模型及優(yōu)化參數(shù)；詳細(xì)探討了雙脈沖激光燒蝕聚合物推進(jìn)中羽流場的發(fā)

4、展和沖量產(chǎn)生機(jī)理，揭示了兩個脈沖在羽流場發(fā)展中的作用及其對推進(jìn)性能的貢獻(xiàn)。第一脈沖提供了足夠的燒蝕產(chǎn)物，第二脈沖到達(dá)后擊穿第一脈沖燒蝕產(chǎn)物，并維持激光維持爆轟波（Laser-Supported Detonation wave- LSD）發(fā)展形成顯著的屏蔽效應(yīng)，使第一脈沖燒蝕產(chǎn)物飛散速度增加，同時也使第二脈沖的燒蝕質(zhì)量大大減少，比沖因此得以提高。通過正交實驗設(shè)計、均勻?qū)嶒炘O(shè)計和數(shù)值仿真，以兩個激光脈沖的光強(qiáng)、脈寬和脈沖間隔為影響因素，對雙

5、脈沖LAP性能進(jìn)行了優(yōu)化。
　　建立了考慮摻雜金屬顆粒聚合物工質(zhì)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的脈沖激光輻照燒蝕與沖量產(chǎn)生過程數(shù)值模型，能反映金屬對聚合物燒蝕過程的影響、含金屬成分羽流場發(fā)展及其對入射激光的屏蔽效應(yīng)，計算結(jié)果捕捉到了鑲嵌顆粒的不規(guī)則燒蝕面及金屬顆粒的粒狀剝蝕現(xiàn)象，揭示了摻雜金屬顆粒聚合物工質(zhì)不同實驗比沖數(shù)值差異大的主要原因。
　　建立了脈沖激光輻照表面覆蓋金屬網(wǎng)聚合物工質(zhì)沖量產(chǎn)生過程數(shù)值模型，能反映金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對燒蝕和羽流場的

6、影響，計算結(jié)果揭示了金屬網(wǎng)誘導(dǎo)等離子體的存在是LAP性能提高的主要原因。金屬網(wǎng)促使金屬網(wǎng)位置形成高壓等離子體，并阻滯來流在其與燒蝕面之間形成低速區(qū)，顯著降低了激光脈沖結(jié)束后燒蝕面壓強(qiáng)的衰減速度，使推進(jìn)性能全面提高；聚合物燒蝕是影響推進(jìn)性能最主要的因素，金屬網(wǎng)在其基礎(chǔ)上起明顯地增幅作用。以金屬網(wǎng)格間距、金屬網(wǎng)與燒蝕面距離、激光強(qiáng)度和脈寬為影響因素，開展了正交實驗設(shè)計與數(shù)值仿真，給出了推進(jìn)性能參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。
　　綜上所述，本文對激光燒