激光推进光船构型与地基激光发射光船任务的分析与设计

论文摘要

本文针对激光推进应用体系所涉及的关键问题和关键技术,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,重点开展了光船推力室构型设计、光船自由飞行稳定性分析、光船发射方案设计和弹道优化设计等研究工作。研究结果可为发展我国光船技术提供一定的理论与方法支持,并为我国开展光船自由飞行演示及微小卫星发射技术的研究奠定一定的基础。论文针对具有塞式喷管构型的光船,研究了光船推力室内激光等离子体爆轰波的演化过程。建立了基于谢多夫柱爆轰理论和冲击波反射与衰减理论的光船推力计算模型。该模型克服了计算流体力学模型计算时间长、参数难于修改的缺点,可对爆轰波演化发展全过程进行计算,适应于推力室结构参数可变时的推力计算。应用该模型对推力室构型进行了优化设计,获得了冲量耦合系数最大的推力室构型。研究了推力室结构参数对推力的影响,认识到冲量主要来源于冲击波对塞式喷管壁面的压力,提出了延长推力室工作寿命的方法。发展了光船六自由度运动模型,实现了近地面自由飞行光船的运动模拟,掌握了近地面自由飞行光船的运动规律,揭示了光船自由飞行的自稳定机理。研究表明,光船高速自旋产生的陀螺效应使光船姿态保持稳定,侧力和气动力阻尼的共同作用使光船具有稳定于光束中心的能力。分析了多种力和力矩对光船稳定性的影响,指出倾斜力矩是破坏光船姿态稳定的主要因素。提出了增强光船飞行稳定性的方法,研究结果对提高光船近地面自由飞行高度具有很好的指导作用。分析了大气对强激光传输的影响,建立了强激光大气传输模型。对基于单台地基激光器的光船发射系统进行了系统分析和设计,提出了确定激光器输出功率、推力器比冲和光船接收镜半径等关键参数的原则和方法。初步建立了光船发射的系统框架,提出了三种基于单台地基激光器的光船发射方案。研究结果对我国发展基于激光推进的微小卫星发射技术具有一定的借鉴意义。根据光船发射过程的特点和发射方案要求,建立了光船质心动力学方程,发展了基于序列二次规划法和遗传算法的光船弹道优化设计,验证了激光推进系统可获得高有效载荷比。计算了三种发射方案下的最优弹道,比较发现,相对于地面发射方案,高空发射方案可降低激光大气传输损失,入轨质量有较大的提高。研究表明,激光器输出功率大小和激光传输衰减是影响光船运载能力的主要因素。阐明了在光船初始质量、比冲和推力之间综合平衡并采用合理的发射方案和飞行弹道是改进地基激光发射系统性能的有效途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称与符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光推进的研究进展
• 1.2.1 光船构型研究进展
• 1.2.2 光船自稳定性研究进展
• 1.2.3 激光推进发射方案与弹道优化研究进展
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 光船推力室构型优化设计
• 2.1 引言
• 2.2 光船推力计算模型
• 2.2.1 光船推力室结构参数的描述
• 2.2.2 激光作用阶段LSD 波的形成和发展
• 2.2.3 冲击波的衰减以及冲击波对光船的作用力
• 2.3 光船推力室优化设计及性能分析
• 2.4 光船推力计算的CFD 方法
• 2.4.1 钟形光船的数值仿真
• 2.4.2 一号光船的数值仿真
• 2.4.3 二号光船的数值仿真
• 2.5 小结
• 第三章 近地面自由飞行光船的稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 光船模型与光船受力分析
• 3.2.1 光船模型
• 3.2.2 光船受力分析
• 3.3 光船气动力计算
• 3.3.1 CFD 计算模型
• 3.3.2 CFD 计算模型的验证
• 3.3.3 CFD 计算光船空气动力结果
• 3.4 光船自由飞行六自由度运动模型
• 3.4.1 坐标系与坐标系间转换关系
• 3.4.2 光船受力在体坐标系中的表示
• 3.4.3 光船运动六自由度动力学和运动学方程
• 3.5 光船自由飞行模拟结果分析
• 3.5.1 初始位置偏移和速度扰动对光船稳定性的影响
• 3.5.2 无极阻尼力矩或无倾斜力矩时光船的自由飞行模拟
• 3.5.3 无空气动力和气动力矩时光船的自由飞行模拟
• 3.5.4 激光脉冲频率和自旋速度对光船稳定性的影响
• 3.6 小结
• 第四章 基于地基激光器发射光船的方案设计与分析
• 4.1 引言
• 4.2 强激光大气传输模型及分析
• 4.2.1 高斯光束在理想的均匀大气介质中的传输
• 4.2.2 强激光在大气传输中的能量衰减
• 4.2.3 强激光在大气传输中的光束扩展
• 4.2.4 强激光在大气传输中的非线性效应
• 4.2.5 激光大气传输小结
• 4.3 光船发射系统若干关键参数的选择
• 4.3.1 激光器输出激光功率的选择
• 4.3.2 光船接收镜大小的确定
• 4.3.3 光船推力器推进性能参数的选择
• 4.4 地基激光发射光船的三种方案
• 4.4.1 地面发射方案
• 4.4.2 高空发射方案
• 4.4.3 混合发射方案
• 4.5 小结
• 第五章 光船弹道优化分析与设计
• 5.1 引言
• 5.2 光船弹道优化中的基本问题
• 5.2.1 光船弹道优化设计的概念
• 5.2.2 弹道优化设计数学模型的建立
• 5.2.3 弹道优化设计中的一些问题
• 5.3 光船飞行动力学模型
• 5.3.1 光船质心运动动力学方程与光船受力分析
• 5.3.2 考虑地表曲率及重力随高度变化时的光船质心运动方程组
• 5.4 地面发射方案弹道优化设计
• 5.4.1 光船飞行弹道优化模型
• 5.4.2 序列二次规划方法的应用
• 5.4.3 优化计算结果
• 5.5 高空发射方案弹道优化设计
• 5.6 混合发射方案弹道优化设计
• 5.7 基于遗传算法的飞行弹道优化分析
• 5.7.1 弹道优化的遗传算法描述
• 5.7.2 遗传算法计算最优弹道结果及分析
• 5.8 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果