大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246μN·s/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。

大气呼吸模式激光推进的理想动力循环模型

大气呼吸模式激光推进的比冲和冲量耦合系数受制于其能量转换效率,对能量转换效率进行分析具有重要意义。建立了大气呼吸模式激光推进的理想动力循环模型,分析了激光推进过程中的能量转换效率,并探讨了提高能量转换效率的可行途径。研究结果表明,增大冲压比或定容增压比是提高能量转换效率的有效途径,其中增大飞行速度能有效增大冲压比,提高激光功率密度和改变工质掺杂特性能有效增大定容增压比。掺入水滴杂质形成的气液两相工质在激光推进领域具有较好的发展前景。

激光推进技术

对近40年来国内外激光推进技术研究的发展进程和现状进行了综述;论述了激光推进研究的3个基本组成部分和研究的重点问题,分析了未来激光推进研究的发展方向;并对激光推进的分类、与传统化学推进方式相比的优势、激光推进的主要性能参数以及激光推进研究中常用的实验方法进行了较为详细的介绍;最后对笔者研究组近年来在超短脉冲激光烧蚀推进方面所做的研究工作进行了简要总结,主要包括利用自行搭建的扭秤测量不同脉冲能量、脉冲宽度、激光流量的超短激光脉冲烧蚀多种固体靶材产生的动量以及在水平和竖直方向推进微型小球的实验等。

基于调谐TEA CO_2激光推进的研究

针对大气呼吸模式激光推进,采用可调谐TEA CO2激光器,选取CO2激光光谱中0001~1000带和0001~0200带中增益较强的四支谱线10P(20)、10R(12)、9P(28)及9R(14)进行了实验研究。实验结果表明,在大气呼吸模式激光推进中,空气的击穿阈值随激光波长的增大而降低,激光波长对飞行器获得的冲量耦合系数没有明显的影响。

铝制旋转抛物面型激光推力器温度效应的实验研究

研究了激光推进中铝制旋转抛物面型推力器的温度变化情况。采用脉冲TEA-CO2激光器作为推进光源,用响应较快的K型热电偶丝作为温度传感器,分别在大气呼吸和烧蚀两种工作模式下,研究了抛物面上不同点的温度分布情况,以及脉冲个数和环境气压对抛物面温度的影响。文中对冲量耦合系数和气压的关系也作了研究,并将其与温度联系起来。结果发现在旋转抛物面的顶点处温度为最高,随离顶点距离的增大而减小。在大气呼吸和烧蚀两种模式下,抛物面温度随着激光脉冲个数增加,但增加的斜率逐渐减小,有饱和的趋势。在激光脉冲个数确定的条件下,大气呼吸模式的温度随气压的减小先增大后减小,出现一个峰值;烧蚀模式则随气压的减小而增大。在大气呼吸模式下,冲量耦合系数随着气压的减小先略为增大而后迅速减小,在约0.5atm处出现了一个弱峰;在烧蚀模式下,冲量耦合系数随气压减小迅速升高,在气压低于0.5 atm后,几乎为定值。