大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246Ns/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。     

铝制旋转抛物面型激光推力器温度效应的实验研究

研究了激光推进中铝制旋转抛物面型推力器的温度变化情况。采用脉冲TEA-CO2激光器作为推进光源,用响应较快的K型热电偶丝作为温度传感器,分别在大气呼吸和烧蚀两种工作模式下,研究了抛物面上不同点的温度分布情况,以及脉冲个数和环境气压对抛物面温度的影响。文中对冲量耦合系数和气压的关系也作了研究,并将其与温度联系起来。结果发现在旋转抛物面的顶点处温度为最高,随离顶点距离的增大而减小。在大气呼吸和烧蚀两种模式下,抛物面温度随着激光脉冲个数增加,但增加的斜率逐渐减小,有饱和的趋势。在激光脉冲个数确定的条件下,大气呼吸模式的温度随气压的减小先增大后减小,出现一个峰值;烧蚀模式则随气压的减小而增大。在大气呼吸模式下,冲量耦合系数随着气压的减小先略为增大而后迅速减小,在约0．5atm处出现了一个弱峰;在烧蚀模式下,冲量耦合系数随气压减小迅速升高,在气压低于0．5atm后,几乎为定值。     

激光破坏机理研究的一个新进展

当入射激光的波长、辐照时间、平均功率密度保持相同的条件下，改变激光的时。空结构会产生不同的破坏模式，在上述激光基本参数不变时，如何合理选择激光的时。空分布以便达到最佳的破坏效果，这类问题可称之为激光破坏机理研究中的反问题。迄今为止，人们对这一“反问题”的研究甚少。本文利用非高斯空间分布激光辐照黄铜薄片材料，产生了一种特殊的破坏模式──反冲塞效应，并对此进行了较系统的实验与理论分析，激光破坏反问题的提出和初步探索是研究激光破坏机理的一个新概念和新进展。     

吸气式激光推进推力产生机理的数值模

采用二阶精度的Roe格式，分别采用完全气体模型和高温平衡气体模型，对激光引致的激波在流场中的传播以及轴对称激光推力器的推力产生过程进行了数值模拟，揭示了大气吸气模式激光推进的推力产生机理。结果表明，采用高温平衡气体模型可以更精确地模拟等离子体流场的演化过程，计算所得的冲量耦合系数与已有实验结果吻合较好。     

激光辐照诱导的热与力学效应

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流–热–固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展。     

强激光水下爆炸推进的物理机制

对激光水下聚焦爆炸推进的作用机理开展了实验测量和数值模拟研究. 实验观察到激光水下聚焦爆炸推进分为两个物理过程: (1) 强激光与铝膜相互作用诱导等离子体演化, 产生短脉冲、高幅值的等离子体压力, 并对航行体做功; (2) 激光爆炸产物气泡脉动, 对航行体继续提供推力. 另外, 实验还对不同介质中的激光推进效率以及气泡与约束壁面/自由水面相互作用的物理机制进行了研究. 发现在高阻抗环境介质、气泡受约束脉动以及近自由水面条件下, 激光爆炸推进的效率更高. 在实验的基础上, 建立了激光水下聚焦爆炸推进的物理模型, 发展了相应的耦合数值计算方法. 计算得到的气泡脉动规律及航行体运动规律与实验测量结果一致, 验证了计算的模型和方法, 为强激光水下聚焦爆炸推进机理的研究提供了一种有效的方法.      

强激光破坏机制研究进展

本文对强激光造成靶材破坏机理进行了评述，将激光破坏机理在Ｉ－ｒ平面内分为冲击破坏、热烧蚀破坏和非熔化条件下的热应力破坏三个区域，并分别对各区激光－靶材相互作用过程及破坏方式进行了评述，给出了国内外的最新研究成果及研究展望。     

Progress in thermal-mechantical effects induced by laser

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流-热-固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展.     

激光辐照诱导的热与力学效应

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流–热–固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展.     

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.     

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（weighted essentially non-oscillatory schemes），给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用，模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数（冲量耦合系数等）。计算结果及与实验结果的对比表明，靶材料和激光参数（功率密度、波长、脉冲宽度等）是影响推进效应的主要因素，并且计算结果具有较高的精确度。     

THERMAL SHOCK OF SEMI-INFINITE BODY WITH MULTI-PULSED INTENSE LASER RADIATION

In order to investigate the thermal shock and the heat conduction property of a target under multi-pulsed laser radiation, analytic expressions of both temperature and thermal stress fields in the target are deduced on the basis of the non-Fourier conduction law and the thermo-elastic theory. Taking a stainless steel target as an example, we can solve the analytic expressions under appropriate boundary conditions by using the finite difference method and MATLAB software, and then reveal the evolution law of both surplus temperaturt, and thermal stress in the target. The results indicate that the temperature curves in the target irradiated by a multi-pulsed laser take on a delayed character in different sections away from the boundary, which is only affected by its relaxation time. The front of the stress wave is very steep in the non-Fourier numerical solutions, which presents an obvious thermal shock, so it is necessary to consider the non-Fourier effect of semi-infinite body under the high energy laser radiation.     

DYNAMICS AND CONTROL OF SPACECRAFT FORMATION FLYING IN EARTH ORBIT1)

航天器编队飞行被定义为跟踪或维持航天器之间的期望相对间隔、期望指向和相对位置。本文概括介绍了近年来地球轨道飞行编队的动力学和控制方面研究的发展状况,包括传统推进系统和新型无推进剂编队系统的动力学建模方法和控制器设计技术等。在传统推进编队系统中,航天器由使用化学燃料或等离子体的推进器提供推力,可以实现高精度地相对姿态/位置保持或重构,控制简单,灵活性高,但是需要消耗较多的能源。相比之下,在新型无推进剂编队系统中,航天器通过新的推力方式,如大气阻力作用,非接触内力,地磁洛伦兹力,动量交换等,将大大延长编队任务的寿命,并有效地避免羽流污染,但会带来新的控制问题。本文总结了这些领域中动力学与控制方面的研究方法及取得的成果,并提出了相关领域值得深入研究的问题和后续发展的方向。     

微喷管流动粒子仿真与Navier-Stokes数值模拟比较研究

运用DSMC（Direct Simulation Monte—Carlo）方法从分子运动论层次对大膨胀比、喉部转角为尖角的微喷管流动现象进行模拟,考察来流总压对喷管性能的影响,并与Navier—Stokes方程运算结果、实验结果进行比较。研究表明：在模拟微型喷管的流动现象时,DSMC方法比N—S方程更加适用。     

THE ANALYTICAL STUDY ON THE LASER INDUCED REVERSE－PLUGGING EFFECT BY USING THE CLASSICAL ELASTIC PLATE THEORY（II）──REVERSE－BULGE MOTION

ＴＨＥＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬＳＴＵＤＹＯＮＴＨＥＬＡＳＥＲＩＮＤＵＣＥＤＲＥＶＥＲＳＥ－ＰＬＵＧＧＩＮＧＥＦＦＥＣＴＢＹＵＳＩＮＧＴＨＥＣＬＡＳＳＩＣＡＬＥＬＡＳＴＩＣＰＬＡＴＥＴＨＥＯＲＹ（ＩＩ）──ＲＥＶＥＲＳＥ－ＢＵＬＧＥＭＯＴＩＯＮ￥(周益春，...     

Numerical simulation of transient thermal field in laser melting process

Numerical simulation of thermal field was studied in laser processing. The 3-D finite element model of transient thermal calculation is given by thermal conductive equation. The effects of phase transformation latent are considered. Numerical example is given to verify the model. Finally the real example of transient thermal field is given.     

热-力联合作用下柱壳结构变形的计算分析

本文研究了激光连续加热和恒内压作用下柱壳结构的变形规律。以4340钢材料作为研究对象，其本构方程选用热粘塑性本构模型（Johnson-Cook模型）；选取某一应变率为临界值（本文中临界应变率取为1s^-1)。考察了激光功率密度，预载荷大小，激光作用时间等对结构变形规律的影响。主要结论有：结构失稳是导致激光辐照下充内压柱壳破坏的重要原因；激光功率密度和内压越高，结构破坏时间越短；根据辐照时间的长短，预测到了结构急速破坏，延迟破坏和不破坏三种模式。本工作对于深入认识激光作用下预载结构的热－力联合破坏有一定意义。     

热－塑变形局部化的有限元分析及其对激光破坏效应的应用

本文给出了热力耦合的热弹粘塑性材料的有限元分析方法，并讨论与之相关的时间积分算法，为改善线性插值函数所引起的不协调性及提高运算速度，应力协调迭代理论被引入相应的算法及程序中，最后对非绝热过程中热－塑变形局部化及激光诱导的剪切变形集中进行了数值模拟，其结果与理论分析有良好的吻合．