烧蚀模式激光推进的机理及实验研究

论文摘要

激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的反作用力推动飞行器前进的一种新概念推进技术。与传统的化学推进相比，激光推进在概念上的创新主要可归结为两个分离：1、工质和能量的分离，2、飞行器和能源系统的分离。从是否消耗自身携带工质看，激光推进的驱动模式可分为两类：大气模式和火箭烧蚀模式。本文就火箭烧蚀模式激光推进进行探讨，采用模型分析、数值模拟以及实验研究等几个方面，从物理、力学的角度深入研究烧蚀模式激光推进的物理机理和力学规律，得到了一些有益的结果。 以激光与固体靶相互作用的动态物理过程为线索，分析了烧蚀模式激光推进的基本原理，并将其划分为三个过程阶段：①靶材料表面的受热气化过程；②靶面蒸气与入射激光的相互作用并使得蒸气继续电离、升温的过程；③靶面蒸气等离子体的膨胀运动过程。激光烧蚀压力和冲量耦合系数是衡量激光推进效应的重要参数，详细分析了基于LSD的激光推进效应力学模型。 介绍了一维辐射流体动力学代码MEDUSA，给出了MEDUSA程序的主要计算流程图。采用MEDUSA程序对单脉冲激光与固体靶相互作用的动态物理过程进行了数值模拟计算。得到了一维情形下等离子体各参数（粒子速度、密度、温度）的随时间以及空间的变化，并给出了动态烧蚀面（激光束与固体靶的作用面）压力随时间的动态变化规律。采用烧蚀压力随时间积分的方法计算固体靶所获得的作用冲量，分别计算了铝靶材料和C-H靶材料在不同激光参数条件下的推进性能。计算得到的冲量耦合系数与实验结果以及经验模型进行了比较，结果表明，数值计算结果与实验结果符合较好。 采用一种平均电离度的简易快速计算方法并由此给出等离子体状态方程，以及具有五阶精度的加权本质无振荡差分格式-WENO建立了烧蚀模式激光推进数值模拟程序，考虑了入射激光与固体靶的相互作用，着重于激光与固体靶面蒸气等离子体的相互作用与能量耦合，用于模拟激光作用于固体靶产生等离子体喷射的全过程，包括固体靶表面吸收激光能量气化、电离产生等离子体，入射激光与靶面等离子体的能量耦合及能量屏蔽，靶面的后续动态烧蚀。进行了以下几个方

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 激光推进的基本概念
• 1.1.1 激光推进
• 1.1.2 烧蚀模式激光推进
• 1.2 烧蚀模式激光推进的基本原理
• 1.2.1 简介
• 1.2.2 激光与固体靶相互作用的物理描述
• 1.2.3 靶面等离子体膨胀运动
• 1.2.3.1 LSC
• 1.2.3.2 LSD
• 1.2.3.3 LSC波与LSD波的转化
• 1.3 国内外研究进展
• 1.4 本文研究内容
• 参考文献
• 第二章 烧蚀模式激光推进的物理分析
• 2.1 引言
• 2.2 靶材的气化
• 2.3 等离子体点燃
• 2.3.1 Y判据
• 2.3.2 B判据
• 2.4 靶面等离子体对激光能量的吸收
• 2.5 激光烧蚀推进的物理模型及分析
• 2.5.1 激光烧蚀推进参数
• 2.5.2 烧蚀压力与冲量耦合系数
• 2.5.3 激光支持吸收波推进模型
• 2.5.3.1 LSD模型推进性能分析
• 2.5.3.2 基于LSD的二维冲量模型
• 2.5.4 Phipps模型
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 烧蚀模式激光推进的一维数值模拟
• 3.1 靶蒸气等离子体的气体动力学运动
• 3.2 一维辐射流体动力学代码MEDUSA
• 3.2.1 几何坐标及网格划分
• 3.2.2 运动方程
• 3.2.3 离子和电子密度的计算
• 3.2.4 状态方程
• 3.2.5 等离子体吸收激光能量的计算
• 3.2.6 MEDUSA代码简介
• 3.3 激光烧蚀固体靶的数值模拟
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 靶面等离子体参数的计算结果与分析
• 3.3.3 推进性能计算
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 高温等离子体辐射及等离子体状态方程
• 4.1 辐射输运方程
• 4.2 等离子体辐射吸收系数
• 4.3.自由-自由吸收
• 4.4 等离子体状态方程
• 4.4.1 Boltzmann分布和Saha方程
• 4.4.2 等离子体状态方程
• 4.4.2.1 电子作用项的计算
• 4.4.2.2 电离度的计算
• 4.4.2.3 电离度计算结果与讨论
• 4.4.2.4 等离子体状态方程的简易模型
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 控制方程及数值计算方法
• 5.1 控制方程
• 5.2 双曲守恒律方程的数值方法概述
• 5.3 ENO格式
• 5.4 迎风型WENO格式
• 5.5 具有TVD保持性质的Runge-Kutta型时间离散格式
• 5.6 LTPP-2D代码
• 5.6.1 程序物理计算流程
• 5.6.2 程序流程图
• 5.6.3 二维斜激波反射验算算例
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 烧蚀模式激光推进的二维数值模拟
• 6.1 计算模型
• 6.1.1 模型描述
• 6.1.2 烧蚀边界参数的确定
• 6.2 激光烧蚀（支持）等离子体演化
• 6.2.1 算例一
• 6.2.2 算例二
• 6.3 激光推进力学效应的数值模拟
• 6.4 激光推进参数计算结果与实验结果的比较
• 6.5 激光波长与环境压力对推进效应的影响
• 6.5.1 冲量耦合系数
• 6.5.2 比冲的初步计算结果
• 6.6 靶面横向尺寸与激光光斑大小的耦合关系
• 6.6.1 自由膨胀结构
• 6.6.2 约束喷管结构
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 烧蚀模式激光推进的实验研究
• 7.1 激光发射小弹丸实验
• 7.1.1 实验模型
• 7.1.2 实验结果与分析
• 7.2 激光烧蚀推进的初步预备实验
• 7.2.1 激光烧蚀小钢珠实验
• 7.2.1.1 实验简介
• 7.2.1.2 实验结果
• 7.2.2 空气击穿实验
• 7.2.3 实验分析
• 7.3 激光烧蚀推进实验测试
• 7.3.1 实验装置
• 7.3.2 激光冲量摆仪的标定
• 7.3.2.1 标定原理
• 7.3.2.2 冲量摆仪原理误差分析
• 7.3.2.3 标定实验
• 7.3.2.4 标定结果
• 7.3.3 烧蚀模式激光推进实验测试
• 7.3.3.1 测试原理
• 7.3.3.2 激光烧蚀推进实验
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 全文的工作总结
• 8.2 未来工作的展望
• 攻读博士学位期间论文发表情况