激光推进热力冲击破坏机理和防护研究

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新概念推进技术。激光引起的工质等离子体温度可达10000K以上,远高于传统火箭的工作温度和所有材料的熔点,因此,抗热、力冲击破坏将是激光推进研究中的必须克服的重大关键问题之一。激光推进器热力冲击破坏问题涉及光辐射,高温等离子体流场和推进器结构的相互作用,热和力的相互耦合,本构模型和破坏准则,瞬态脉冲作用和长时间积累等一系列基础性理论难题,这一难题的突破可以为激光推进器抗热/力冲击设计和技术攻关提供基础,具有重要的应用价值。本文的工作主要围绕大气模式激光推进中的热力冲击破坏机理和防护开展研究:①通过数值模拟研究了非定常激光等离子体流场的分布和演化规律,分析了影响推进性能的因素,为热力冲击破坏机理研究提供热力载荷数据;②从机理分析、实验研究以及数值模拟三个方面对激光推进中的热力冲击破坏问题进行了系统的探讨;③针对产生激光推力器结构热力冲击破坏的原因,对相应的防护方法进行了初步的研究。得到的主要结果和新的认识有:建立了激光推力器推进性能和结构动态响应数值模拟平台,该平台既可用于激光推力器流场和推进性能计算,又可进行推力器结构的热力冲击破坏计算。对激光等离子体流场进行全过程数值模拟表明:流场演变可以分为三个阶段:主推阶段、止推阶段和“呼吸”振荡阶段,其中止推阶段和“呼吸”振荡阶段对推进性能的影响很大。讨论了激光脉冲能量、脉宽以及重复频率对推进性能的影响:①冲量耦合系数随能量的增大而增大,但趋势变缓;②短脉宽有利于改善推力器的推进性能,可以在很大程度上提高冲量耦合系数;③冲量耦合系数随脉冲数的增多而减小,冲量耦合系数随频率的增大而减小,原因一是飞行器运动引起的空气阻力,二是后期流场的作用。计算结果与实验符合的较好。提出激光推力器壁面存在四种界面热载荷:①壁面对入射激光的吸收;②壁面对内流场中高溫等离子体热辐射的吸收;③壁面对透过激光等离子体区透射激光的吸收;④高温气体与壁面之间的运流换热。对点聚焦拋物型推力器和环聚焦推力器两种构型分别进行了单、多脉冲热力冲击数值模拟,分析了热力冲击破坏的主控因素。结果表明:①对于点聚焦拋物面型推力器,温升主控因素是入射吸收,其次是热辐射,热力破坏的预测与实验结果符合较好。②对于环聚焦推力器,温升主控因素是透射吸收,其次是热辐射,高温气体与壁面间的运流换热的贡献较小可以忽略。100个脉冲的计算表明,第65个脉冲时由于材料强度降低,部分单元发生拉仲破坏,91个脉冲时部分单元达到热破坏阈值,出现熔化。力破坏早于热破坏,最终推力器的破坏将以断裂解体的形式出现,局部区域熔化严重,热力破坏是耦合作用的,计算结果很好的解释了实验现象。这是第一次对激光推进中热力冲击破坏作用的主要因素,破坏过程、规律和方式有了较清晰的认识。在此基础上,设计出自聚焦和外部聚焦两种拋物面型推力器模型,并使温升的次要因素一热辐射作用大大减小,甚至可忽略,这样一来,两种模型的主要温升均由单因素控制:自聚焦型是入射吸收,外部聚焦型,是透射吸收。针对这两种模型展开了热防护方法的研究,①建立了平均温升估算方法,得到多脉冲推进推力器的最终平衡温度,自聚焦模型为1700K,外部聚焦模型为2800K,都超过了目前大多数材料的使用温度。②提出激光推进热防护方案:对于自聚焦模型,采用传热传质热防护方法;对于外部聚焦模型,采用吸热式热防护方法与传热传质热防护方法相结合的防护方法,其中选取陶瓷材料作为基底实现吸热式热防护。通过计算验证了方案的可行性。针对激光推进力冲击破坏提出了防护方案:选取高温下可以保证较高抗拉强度的高温结构材料作为推力器的基底材料抵御力的冲击破坏。以氮化硅陶瓷为例进行了计算,结果表明,高温下推力器不会发生力的破坏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光推进的基本概念
• 1.2 激光推进的国内外发展现状
• 1.3 大气呼吸模式激光推进流场的数值模拟
• 1.4 激光推进中的热力冲击破坏
• 1.5 激光推进中的热力防护问题
• 1.6 本文的研究内容
• 参考文献
• 第2章 控制方程和数值计算方法
• 2.1 计算思想和控制方程
• 2.1.1 流场计算的思想和控制方程
• 2.1.1.1 激光注入阶段
• 2.1.1.2 后期流场的发展及其与推力器相互作用阶段的控制方程
• 2.1.1.3 高温气体模型中绝热指数随温度的变化
• 2.1.1.4 等离子体状态的近似计算
• 2.1.2 热力冲击计算的控制方程
• 2.2 激光推力器推进性能和结构动态响应数值模拟平台
• 2.3 流场计算方法和程序应用
• 2.3.1 用户自定义函数
• 2.3.2 动边界计算方法
• 2.3.3 跨时间尺度的计算方法
• 2.3.4 多脉冲激光推进的计算方法
• 2.3.5 等离子体状态近似计算的实现方法
• 2.3.6 热力冲击载荷输出的实现方法
• 2.4 热力冲击计算方法和程序应用
• 2.4.1 流固解耦的计算方法
• 2.4.2 热力耦合的计算方法
• 2.4.3 INP文件的修改
• 2.5 前后处理程序的应用
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第3章 激光等离子体流场的数值模拟
• 3.1 拋物面飞行器的推进性能研究
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 计算结果
• 3.1.2.1 推进性能和流场演变
• 3.1.2.2 能量对推进性能的影响
• 3.1.2.3 脉宽对推进的影响
• 3.1.3 小结
• 3.2 多脉冲激光推进的数值模拟
• 3.2.1 多脉冲激光推进的数值模拟
• 3.2.1.1 计算模型
• 3.2.1.2 计算结果
• 3.2.1.3 小结
• 3.2.2 双脉冲推进数值模拟
• 3.2.2.1 计算方法
• 3.2.2.2 计算模型
• 3.2.2.3 计算结果和分析
• 3.2.3 小结
• 3.3 环聚焦推力器激光推进的流场分析
• 3.3.1 计算模型和参数
• 3.3.2 计算结果
• 3.3.2.1 两种模型的计算结果与文献计算结果的比较
• 3.3.2.2 推进性能
• 3.3.2.3 流场演变
• 3.3.3 小结
• 3.4 全空间旋转分离式激光推力器流场的数值模拟
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 计算结果
• 3.4.2.1 推进性能
• 3.4.2.2 扩张喷管模型流场演变分析
• 3.4.2.3 收缩喷管模型流场演变分析
• 3.4.3 小结
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 激光推进热力冲击破坏机理
• 4.1 激光推进器热力冲击破坏机理分析
• 4.1.1 激光推进中的热载荷
• 4.1.2 高温下材料力学性能的变化
• 4.1.2.1 温度对弹性模量的影响
• 4.1.2.2 温度对屈服强度的影响
• 4.1.2.3 温度对抗拉强度的影响
• 4.1.3 小结
• 4.2 点聚焦抛物面型激光推力器的热力冲击研究
• 4.2.1 大气模式热力冲击的实验研究
• 4.2.1.1 实验设置
• 4.2.1.2 温升实验结果
• 4.2.1.3 内壁压强的测试结果
• 4.2.1.4 实验小结
• 4.2.2 计算方法和参数
• 4.2.2.1 计算参数
• 4.2.3 流场计算结果
• 4.2.3.1 推力器壁面承受的温度载荷
• 4.2.3.2 热辐射载荷
• 4.2.3.3 推力器壁面承受的压力载荷
• 4.2.3.4 小结
• 4.2.4 单脉冲热冲击计算结果
• 4.2.5 多脉冲热冲击计算结果
• 4.2.6 多脉冲力冲击计算结果
• 4.2.7 多脉冲热力破坏估算
• 4.2.8 小结
• 4.3 环聚焦推力器的热力冲击研究
• 4.3.1 计算参数
• 4.3.2 热力冲击计算模型
• 4.3.3 流场的数值计算结果
• 4.3.3.1 推力器壁面承受的温度载荷
• 4.3.3.2 热辐射载荷
• 4.3.3.3 推力器壁面承受的力的载荷
• 4.3.3.4 小结
• 4.3.4 单脉冲热冲击计算结果
• 4.3.4.1 透射吸收单独加载的计算结果
• 4.3.4.2 热辐射单独加载的计算结果
• 4.3.4.3 运流换热单独加载的计算结果
• 4.3.4.4 联合加载的计算结果
• 4.3.4.5 三种热载荷单独加载与联合加载的比较分析
• 4.3.5 多脉冲热力冲击计算结果
• 4.3.5.1 热破坏分析
• 4.3.5.2 力破坏分析
• 4.3.5.3 多脉冲热力冲击计算小结
• 4.4 小结
• 4.5 激光推进中飞行器结构响应对聚焦性能的影响
• 4.5.1 求解变形抛物面焦点区域的数值方法
• 4.5.2 计算参数和计算网格
• 4.5.3 计算结果
• 4.5.3.1 单脉冲抛物型推力器的变形及焦点区域变化
• 4.5.3.2 多脉冲抛物面反射面的变形及焦点区域变化
• 4.5.4 小结
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 激光推进热力防护方法的初步研究
• 5.1 激光推力器在热载荷作用下产生温升的主控因素分析
• 5.2 拋物面型推力器的模型设计和热力冲击分析
• 5.2.1 参数设计
• 5.2.2 流场计算——热力载荷分析
• 5.2.2.1 流场计算参数
• 5.2.2.2 热力载荷分析
• 5.2.3 单脉冲热、力冲击计算结果
• 5.2.3.1 计算参数
• 5.2.3.2 自聚焦模型热冲击计算结果
• 5.2.3.3 外部聚焦模型热冲击计算结果
• 5.2.3.4 两种模型的热冲击分析和热破坏预测
• 5.2.3.5 力冲击计算结果
• 5.2.4 小结
• 5.3 推力器在多脉冲推进中耐热冲击的温升估算
• 5.3.1 平均温升估算公式
• 5.3.2 自聚焦模型入射吸收多脉冲温升估算结果
• 5.3.3 外部聚焦模型透射吸收多脉冲温升估算
• 5.3.4 小结
• 5.4 热防护方法在激光推进中的应用
• 5.4.1 吸热式热防护方法
• 5.4.1.1 单脉冲热冲击计算结果
• 5.4.1.2 多脉冲加载平衡温度估算
• 5.4.1.3 小结
• 5.4.2 冷却系统的设计要求
• 5.4.2.1 针对自聚焦模型入射吸收的防护设计
• 5.4.2.2 针对外部聚焦模型透射吸收的防护设计
• 5.4.2.3 小结
• 5.4.3 冷却方法在激光推进中的应用
• 5.4.3.1 冷却方法
• 5.4.3.2 冷却方法在自聚焦模型中应用的数值模拟分析
• 5.4.3.3 冷却方法在外部聚焦模型中应用的数值模拟
• 5.4.3.4 小结
• 5.4.4 小结
• 5.5 力破坏的防护方法
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来研究的展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果