固态工质激光推进的机理研究

论文摘要

激光推进是利用高功率激光与物质相互作用产生的高温高压等离子体反喷产生推力驱动飞行器前进的一种新概念推进技术。固态工质由于其易加工,可操作性强,成为烧蚀模式的首选工质形态。本文就固态工质的烧蚀模式激光推进进行探讨,采用数值模拟和实验等手段,深入研究该推进模式的物理机制和推进力学效应,得到了一些有意义的结果。建立了激光辐照下固态靶蒸汽等离子体形成的动态烧蚀耗能模型和光线跟踪激光能量等离子体吸收模型。结合等离子体理想状态方程,采用WENO空间差分格式和Runge-Kutta时间离散格式编写了二维轴对称流体力学程序LDAP-2D,该程序能够完整地计算激光作用下固态单原子靶的动态烧蚀、蒸汽等离子体喷射以及流场演化的整个过程。大大提高了流场和推进性能的计算精度。跟踪脉冲激光能量在等离子体流场中的吸收过程,发现微秒量级脉宽时间内激光被吸收的过程与流场膨胀发展相耦合,使得激光吸收过程出现振荡现象。追踪脉宽时间内激光能量的转化规律,以及激光熄灭后流场膨胀过程中流场内能和动能转化的规律发现,短波长利于将激光能量向流场动能转化并维持流场中较高的动能转化率,提高激光推进的能量利用率。固定入射激光功率,研究脉冲能量、功率密度等对推进效应的影响。激光脉冲能量增大,工质靶获得的冲量增大;同一功率密度下,脉冲能量增大,冲量耦合系数减小;比冲随脉冲能量的增大而增大。同一脉冲能量下,冲量耦合系数随功率密度的增大呈指数衰减;比冲随功率密度的变化不大。针对应用于激光推进的激光器的波长——1.06μm、1.315μm、3.8μm以及10.6μm进行研究,冲量耦合系数随波长的增大而变小,比冲随波长增大而变大。考虑综合推进效应,波长适中（1.315μm和3.8μm）的激光比较理想。对铝、碳、铁和铜四种工质靶材进行数值模拟,发现原子量适中的工质材料综合推进效应较好,追踪其能量转化过程发现,短脉冲时,逃逸速度大不利于提高动能转化率和激光推进的能量利用率。同一功率密度较长脉宽下,流场动能和内能出现振荡,动能转化率可以多次达到最大,但是对推进效应贡献不大。几十到几百纳秒量级的脉宽对材料的综合推进效应较好。对激光辐照固态工质材料产生的等离子体进行光谱诊断。记录了六种材料（铝、铜、钢、石墨、PVC和POM）的发射光谱,研究了它们随脉冲能量的变化规律。在局部热平衡假定下,由铝和铜特征谱线的相对强度得到了二者的电子温度,范围为（7.9-25）×103K;由谱线展宽得到铝等离子体的电子密度在（4-9）×1017cm-3范围内。还利用相机B门拍摄到真空中六种材料在烧蚀瞬间的喷射形貌。对六种材料在大气环境下进行推进效应的实验研究。结果表明,所有材料单脉冲作用下的冲量耦合系数都略高于双脉冲;冲量耦合系数Cm随功率密度增大先增大后减小;聚合物靶材的冲量耦合系数要普遍高于金属材料,且对功率密度的变化更为敏感;Delrin（POM）材料是性能优异的待选工质。本文还对相关文献中的实验研究进行综述,将其中的实验结果汇编成数据库,供以后的研究者查找。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基本概念
• 1.2.1 激光推进
• 1.2.2 推进效应相关参数
• 1.3 激光推进国内外研究进展
• 1.3.1 激光推进发展概述
• 1.3.2 固态工质推进效应研究的综述
• 1.3.2.1 平板靶材推进效应实验
• 1.3.2.2 应用于激光推进的特殊靶材设计
• 1.3.2.3 固态工质激光推进飞行器的推进性能
• 1.4 固态工质激光推进的机理概述
• 1.4.1 激光等离子体中自由电子的产生和增长
• 1.4.2 激光在等离子体中的传播和能量吸收
• 1.4.3 激光维持的燃烧波（LSC）和爆轰波（LSD）
• 1.4.4 激光与固态靶的冲量耦合
• 1.4.5 Phipps定标关系
• 1.5 激光等离子体光谱诊断研究
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 固态工质激光推进的实验研究
• 2.1 激光推进固态工质等离子体的光谱诊断
• 2.1.1 等离子体诊断方法简介
• 2.1.2 高温等离子体的辐射
• 2.1.2.1 等离子体的几种简化模型
• 2.1.2.2 热力学平衡时的原子状态
• 2.1.2.3 连续光谱辐射
• 2.1.2.4 线光谱辐射
• 2.1.3 等离子体光谱诊断方法
• 2.1.3.1 由光谱相对强度计算电子温度
• 2.1.3.2 由谱线轮廓测量电子密度
• 2.1.4 固态工质等离子体光谱诊断实验
• 2.1.4.1 实验装置和靶材
• 2.1.4.2 铝等离子体
• 2.1.4.3 Cu等离子体
• 2.1.4.4 其他工质的光谱图像
• 2.1.5 烧蚀喷出物的形态
• 2.2 工质推进效应实验研究
• 2.2.1 实验仪器和靶材
• 2.2.2 测试方法
• 2.2.3 工质的推进效应
• 2.3 本章小结
• 第3章 固态工质激光推进数值模拟的物理模型
• 3.1 理论模型
• 3.1.1 靶蒸汽等离子体形成的耗能模型
• 3.1.2 光线追踪激光能量等离子体吸收模型
• 3.1.3 激光能量的时空分布
• 3.1.4 等离子体的状态方程和电离度的计算
• 3.2 控制方程、数值计算方法和几何模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 数值计算方法
• 3.2.3 几何模型
• 3.3 LDAP-2D代码的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 固态工质激光推进的数值模拟
• 4.1 固态工质激光推进中物理、力学现象
• 4.1.1 激光吸收波的发展和冲击波的形成
• 4.1.2 激光能量的转化
• 4.1.3 短波长在能量转化中的优势
• 4.1.4 靶蒸汽等离子体流场演化
• 4.2 激光推进中的参数优化和工质筛选
• 4.2.1 激光脉冲能量和功率密度对推进效应的影响
• 4.2.2 应用于激光推进的波长优化
• 4.2.3 不同工质材料的推进性能
• 4.3 本章小结
• 第5章 全文总结和展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 未来研究的展望
• 参考文献
• 附录一 固态工质激光推进平面靶推进效应数据库
• 附录二（A） Al等离子体电子温度的计算结果（一）
• 附录二（B） Al等离子体电子温度的计算结果（二）
• 附录三（A） Cu等离子体电子温度的计算结果（一）
• 附录三（B） Cu等离子体电子温度的计算结果（二）
• 附录四 固态工质推进效应实验研究结果
• 附录五 动态烧蚀耗能模型数据库
• 附录六 激光能量吸收子程序的流程
• 附录七 LDAP-2D程序代码流程图
• 附录八 主计算子程序的物理流程
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果