强激光与飞行靶相互作用的数值模拟研究

论文摘要

本文以飞行体战斗部作为高能激光武器(HEL)的辐照对象,以激光武器的作战效能为指向,研究在激光武器防空作战的动态过程中所涉及到的因素,目的就是弄清激光武器的防空作战效能,从而优化激光武器防卫实验的靶场设计,并为激光武器将来在实际作战中的优化使用提供参考。由于该课题多学科交叉而且整个过程是动态进行的,因此针对问题的特点和复杂性,本文所采用的研究思路是从全局考虑对问题进行必要的简化,采用解析分析和数值分析的方法来研究问题。首先,几何分析了激光对飞行体的动态加热过程,借此获得对整个过程的全局性认识。从几何光学的角度研究了激光器和飞行体的相对位置、激光器和飞行体运行轨道的相对位置对高能激光加热飞行体的影响,提出了由飞行圆柱体表面的法向单位矢量和激光指向的单位矢量决定的角度因子。定义了环向最大角度因子随时间的分布为加热线型。将地平面上方空间划分成两类,为了有效加热飞行体,激光器应当放置在存在激光束垂直入射的那类空间中。用加热线型的时间宽度的概念研究了由于空气阻力造成的飞行轨道不对称,通过用衰减系数加权的加热线型在时间宽度内积分找到了加热效果最好的激光器放置位置。同时相应得到了在其他位置处放置激光器时作战效能的评估。其次,采用计算流体动力学(CFD)技术以及光学传播模拟技术研究激波对高能激光的传播的影响。采用数值模拟计算了超音速飞行的飞行体周围的流场状态。再次,采用有限元的方法研究外界有高热流密度时的热爆炸的临界问题,对热爆炸问题的非线性得到了更深刻的认识。将有限元法与二分法结合求解临界参数和临界状态。提出了只决定于炸药本身属性的超热逃逸温度,并将其作为热爆炸的一个临界参数。讨论了以同样的激光加热功率加热封闭在钢壳内的含能材料使其发生热爆炸的激光照射时间下限。最后,采用4D大气光学传播模拟技术、CFD技术、有限元技术、对象化仿真技术来对高能激光辐照飞行体战斗部的完整过程进行三维联合仿真。具体地说,采用六自由度弹道仿真对飞行体进行了更加接近实际的轨道计算。飞行体的姿态不断变化,其轴向很少与轨道切向重合,不可避免地对激光照射时的角度因子发生了影响。提出了与热晕有关的定距离最大峰值功率密度线和定焦距最大峰值功率密度线的概念,而在联合仿真中采用的是前者,它可以使得在目标上的峰值功率密度是该处所能得到的最大峰值功率密度。综合前面的研究对激光武器的防卫过程进行了联合仿真,得到了放置激光器的最佳位置,并确定了使得飞行体内含能材料在防御距离外发生热爆炸的激光输出功率阈值。通过对激光武器防空作战的动态过程中所涉及到的因素的研究,加深了对激光武器防空作战效能的认识,最终完成了激光武器防卫实验的靶场设计,并为激光武器将来在实际作战中的优化使用提供了重要的参考。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 技术进展

1.3 课题研究的思路、方法与内容

参考文献

第二章动态加热的几何学研究

2.1 几何理论一

2.1.1 激光加热的物理模型

2.1.2 计算模型

2.1.3 算例与讨论

2.2 几何理论二

2.2.1 计算模型

2.2.2 理论分析

θ_max'>2.2.2.1 环向辐照中心对应f_{θ_max}

2.2.2.2 激光器位置的分类

2.2.2.3 大气传输及能量耦合对激光加热的影响

2.2.3 算例和讨论

2.2.3.1 在同一圆上不同辐角处布置激光器

2.2.3.2 在不同圆上同一辐角处布置激光器

2.2.3.3 讨论

2.2.3.4 在轨道上不同点处的法平面上布置激光器

2.3 几何理论三

2.3.1 计算模型

2.3.2 算例和讨论

2.4 小结

参考文献

第三章激光与激波的相互作用

3.1 流场模拟

3.2 光学计算离散条件

3.3 激光在流场中的传播

3.4 小结

参考文献

第四章热爆炸研究

4.1 热爆炸中所采用的方程

4.2 稳定态热爆炸的有限元求解

4.2.1 有限元方法求解

4.2.2 求解算例

cr 的求解'>4.2.2.1 临界参数λ_cr的求解

4.2.2.2 激光辐照密闭含能材料

4.3 稳态热爆炸的超临界参数

4.3.1 热逃逸

4.3.2 超热逃逸

4.3.3 数值算例

4.3.4 补充说明

4.4 瞬态热爆炸的临界问题

4.4.1 瞬态热爆炸的数值模拟

4.4.2 瞬态热爆炸时的临界问题

4.5 小结

参考文献

第五章对激光照射飞行体头部的联合仿真

5.1 弹道仿真

5.1.1 动力学方程

5.1.2 几个重要参数的假定

5.1.3 仿真框图

5.1.4 仿真结果

5.2 激光辐照飞行体的仿真

5.2.1 激光大气传输

5.2.2 联合仿真

5.3 小结

参考文献

结论

致谢

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