带延长圆柱形喷管激光推力器推进性能数值研究

针对抛物形喷管与圆柱形喷管相组合的带延长圆柱形喷管激光推力器模型,通过求解含激光能量源项的流体力学方程组,计算得到了不同单脉冲激光能量条件下3种构形参数对冲量耦合系数和推力的影响。结果显示带延长圆柱形喷管可获得高于600 N/MW的冲量耦合系数,同时表明冲量耦合系数随圆柱喷管长度的增加而增大并趋于饱和,圆柱喷管饱和长度与激光能量呈线性关系。冲量耦合系数随抛物形喷管张角的增大先增大后减小,对于总长度为100 mm的喷管,半张角在33°左右时取得最大值且受激光能量的影响很小。冲量耦合系数随点火位置的增大也存在最大值,最大值对应的点火位置与激光能量成线性关系。     

圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟

 为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律,用2维轴对称辐射流体动力学方法,计算得到了不同构形的推进性能参数,分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响。计算揭示的激光推进能量相似律合理,在理论模型可以描述的范围内,其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证。结果表明：当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受激光能量的影响很小,冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小。     

圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟

为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律,用2维轴对称辐射流体动力学方法,计算得到了不同构形的推进性能参数,分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响。计算揭示的激光推进能量相似律合理,在理论模型可以描述的范围内,其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证。结果表明：当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受激光能量的影响很小,冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小。     

两种构形喷管的激光推进冲量耦合系数数值研究

提炼了由入射激光能量、能量沉积率、环境气体压强、喷管母线长度及其半顶角组合而成的圆锥形喷管无量纲因子,并将其推广到抛物形喷管的研究中。用辐射流体力学计算程序计算了4种半顶角下圆锥形和抛物形喷管的冲量耦合系数随无量纲因子的变化规律。计算结果表明：两种喷管的冲量耦合系数都存在极大值,极大值对应的无量纲因子约为0.4;无量纲因子相同时,半顶角越小,冲量耦合系数越大;同等条件下抛物形喷管的冲量耦合系数高于圆锥形喷管的冲量耦合系数。     

线性喷管构形对激光推力器冲量耦合系数的影响

 喷管是激光推力器的重要组成部分。在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计。针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型。通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系。通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因。研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形。     

线性喷管构形对激光推力器冲量耦合系数的影响

喷管是激光推力器的重要组成部分。在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计。针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型。通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系。通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因。研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形。     

喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响

"烧蚀模式"激光推进是利用强激光烧蚀推力器自身携带的工质产生的高温高压气团反喷进行驱动的,推力器的喷管构型对推进性能有重要影响。鉴于此,从实验和数值模拟两个方面研究了喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响。实验发现,衡量推进性能的2个主要参数冲量耦合系数和比冲均随着喷管长度的增加而增加,不过前者的增长呈渐缓趋势。综合考虑推进参数和推力器自重的影响,导出了推力器获得最大单脉冲速度增量(ΔvT)的最佳喷管长度公式。数值模拟得到的不同喷管长度推力器推进参数的变化规律与实验结果基本吻合:若喷管长度过短,则高压气体未能充分作用于推力器就被排出筒外,造成了能量的浪费;若喷管长度过长,筒内压力的衰减则成为影响推进性能的主要因素,从而解释了直筒型推力器的推进性能的增长趋势随喷管长度增加而逐渐趋缓的原因。     

水滴烧蚀激光推进性能测试

以脉冲式TEA CO2激光器为光源将雾化水滴用作推进剂进行了激光推进实验研究。由力传感器测量得出的推力随时间的变化关系曲线得出了冲量耦合系数的大小。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数的大小与雾化水滴的尺寸、速度等性能参数及其分布密切相关,水滴尺寸和速度越小,速度分布范围越集中,冲量耦合系数越大。     

气压对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

保持CO2激光的单脉冲能量为61.4~64.6 J,采用高精度冲击摆系统进行了不同气压下吸气模式激光推进冲量耦合系数的实验测试,分析了对应的高度特性。结果表明：气压为2.8×104～1×105 Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4 N·s·J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104 Pa,即高度大于10 km时,冲量耦合系数呈二次曲线显著下降;当气压降至1×103 Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J-1。     

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理,分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂,用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO2激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高,氦气的冲量耦合系数最低;在实验测试的激光能量范围内,4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大,冲量耦合系数的相对误差为5.4%~6.4%。实验结果与国外相关实验结论一致。     

吸气式激光推进中激光能量沉积过程的数值模拟

结合辐射输运方程,在流体力学方程组的能量方程中加入包括空气吸收的激光能量以及高温气体向周围辐射损失的能量源项,转化为辐射流体力学方程组,建立了用于模拟吸气式激光推进中能量沉积过程的物理力学模型和计算方法。该辐射流体力学计算程序可以很好地模拟激光能量沉积过程中空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用以及激光维持的爆轰波的传播规律,计算得到激光能量的沉积效率约为57%,激光维持的爆轰波的传播速度与同等条件下的理论和实验结果吻合得较好。     

单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

利用透镜聚焦,抛物面喷管约束,结合复摆和光指针测量系统研究了单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响,实验中通过调节激光器工作电压和硅片衰减实现了脉冲能量5~70 J范围的有效拓展;进一步采用纳秒分幅高速相机拍摄了24 J能量下的流场纹影照片。结果表明：在4~9 J低能量和32~70 J较高能量区间,冲量耦合系数均较稳定;9~32 J能量下冲量耦合系数呈线性增长趋势,变化范围(6.5~21.0)×10-5 N·s·J-1;纹影照片显示流场演化经历了激光支持爆轰波、爆燃波和激波3个阶段,耦合系数的变化规律源于不同单脉冲能量对应不同的能量沉积效率。     

激光推进器概念设计研究现状及发展趋势

激光推进器技术是激光推进技术的关键技术之一,也是其核心技术,而激光推进器概念设计是开展激光推进器技术研究的首要任务。在对国内外文献综合调研的基础上,总结给出了激光推进器概念设计的研究现状。通过对比分析给出了各种激光推进器构形的优缺点,并就激光推进器概念设计的发展趋势进行了分析讨论。