气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明：激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

高超声速飞行器高温流场对激光武器毁伤效应的影响

以美国ABL系统激光武器为例,分析了高超声速飞行器高温流场气体影响激光武器毁伤效应的一些主要因素,包括气体击穿、等离子体屏蔽效应、烧蚀产物颗粒的影响。结果表明：通常情况下,流场电子数密度小于1017 cm-3,流场本身等离子体特性不会引起对激光的等离子体屏蔽效应;只有在0.5 km射程以内和宽脉冲激光引起的高压流场（约10 MPa以上）气体击穿,才会导致明显的等离子体屏蔽效应,但在实际战场条件下这种情况一般不会发生;对采用烧蚀手段进行防热的飞行器而言,飞行高度大于10 km,并且基于自由来流流量的无量纲化烧蚀流量小于10-2左右时,烧蚀产物颗粒不会引起激光的衰减。     

高超声速飞行器高温流场对激光武器毁伤效应的影响

以美国ABL系统激光武器为例,分析了高超声速飞行器高温流场气体影响激光武器毁伤效应的一些主要因素,包括气体击穿、等离子体屏蔽效应、烧蚀产物颗粒的影响。结果表明:通常情况下,流场电子数密度小于1017cm-3,流场本身等离子体特性不会引起对激光的等离子体屏蔽效应;只有在0.5 km射程以内和宽脉冲激光引起的高压流场(约10 MPa以上)气体击穿,才会导致明显的等离子体屏蔽效应,但在实际战场条件下这种情况一般不会发生;对采用烧蚀手段进行防热的飞行器而言,飞行高度大于10 km,并且基于自由来流流量的无量纲化烧蚀流量小于10-2左右时,烧蚀产物颗粒不会引起激光的衰减。     

临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状

临近空间高超声速飞行器具有速度快、突防能力强、杀伤力大等特点,是当今世界各军事强国新型武器的重点发展方向.其中,气动力和气动热是高超声速飞行器的两项重要指标,也是高超声速技术研究的重点内容.文章综述了国内外临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状,分析了研究的发展趋势,并分别从工程计算、数值仿真以及实验研究3个方面介绍了高超声速飞行器气动力及气动热的研究技术和方法.      

吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.     

高超声速飞行器前缘流固耦合计算方法研究

对高超声速流场和结构温度场进行了耦合计算分析, 同时基于准静态假设对结构应力进行了分析. 流场部分采用基于非定常Navier-Stokes (N-S)方程的有限体积法, 湍流模型采用SST k-ω 模型, 固体部分采用基于非稳态热传导方程的有限元法, 同时基于准静态假设对固体结构的应力应变进行了分析. 在流固交界面处, 高速流体从固体结构得到温度边界条件, 固体结构从高速流体得到热流边界条件, 从而实现了流场和固体温度场的紧耦合计算.通过与超声速无限长圆管绕流试验结果进行对比, 验证了该方法的可靠性. 同时对二维圆管结构在气动加热过程中的温度、应力等的变化进行了比较详细的分析. 研究结果表明: 随着气动加热时间的推进, 由于圆管结构的高温区在不断扩大, 导致了结构的热变形在不断地增大; 圆管最小变形区出现在θ为60°处; 同时研究发现在计算时间内圆管热变形对外部流场的影响可以忽略不计.     

高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应数值研究（英文）

针对高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应进行数值模拟.首先以二维圆柱钝体为模型,采用三种气体模型比较和分析化学非平衡效应对气动特性和气动加热特性的影响;接着以三维球头钝体为模型,进一步分析化学非平衡效应及壁面催化特性对气动加热特性的影响.分析表明,化学非平衡效应对压力分布的影响不大;但它能显著缩短激波脱体距离,更重要的是,能大幅降低波后温度,对飞行器气动热环境产生深远影响.另外,壁面催化特性对传热也有较大的影响,对壁面材料催化进程的有效控制可以大幅降低壁面传热.     

高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析

针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在“饱和现象”; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.     

高超声速飞行器热气动弹性仿真计算方法综述

高超声速飞行器遭遇的热气动弹性问题具有危险性和复杂性,而型号设计又对计算环境下的热气动弹性仿真提出了效率和精度的双重要求.针对此问题,首先回顾了热气动弹性分析中气动力、气动热、结构热传导、热结构动力学等子学科的仿真计算方法,包括工程方法、数值模拟及降阶建模方法.其中,降阶建模方法有望解决目前计算效率和精度的矛盾,是调研的重点.之后,从时空耦合的角度总结了热气动弹性分析的多场耦合计算架构,包括单向、双向空间耦合策略,以及全耦合、松耦合、时域-频域耦合等时间耦合策略.在结论中,提出了基于子学科降阶模型进行多场耦合仿真的思路,并对热气动弹性分析的发展趋势进行了展望.      

高超声速气动试验模拟现状与面临的新挑战

高超声速飞行器的发展对地面试验模拟提出了新的要求, 但是, 现有条件还不能完全满足这些要求.文章首先回顾和概述了气动研究地面试验所应遵循的一般性相似准则, 分析了现行气动力热和推进试验模拟的不足和所面临的挑战.经分析认为, 面对这些挑战, 现行的主要参数模拟部件相似模拟和局部相似模拟等方法仍然有效, 但应加强相似理论对地面试验的指导和计算对试验的支撑性作用, 并在必要时通过飞行试验对不完全相似模拟结果进行验证与确认.      

用光偏转法研究气体中激光等离子体羽的特性

采用光偏转法研究气体中准分子激光与石墨和铜相互作用产生等离子体羽的特性。用空间和时间分辨的光偏转信号分析了等离子体羽的漂移速度和膨胀速度，并从光偏转信号中测得了物质波前面的激波速度。     

激光分离脆性材料的研究

传统分离脆性材料的技术由于易产生残余应力、显微裂纹与边部碎屑等缺陷，越来越不能满足半导体工业高精度与高清洁度的要求。激光微细加工技术以无污染、无接触及加工精度高、操作柔性好等优势，正成为一种很有潜力的脆性材料精密加工技术。介绍了用于分离脆性材料的几种典型激光微细加工技术，包括激光烧蚀切割技术、激光诱导张应力控制微裂纹扩展技术与激光剥离技术的工艺原理、特点及研究现状，指出了其存在的主要问题并探讨了其改进措施。最后预测了激光分离技术的发展前景。     

Laser ion source activities at Brookhaven National Laboratory

In Brookhaven National Laboratory (BNL), we have been developing laser ion sources for diverse accelerators. Tabletop Nd:YAG lasers with up to several Joules of energy are mainly used to create ablation plasmas for stable operations. The obtained charge states depend on laser power density and target species. Two types of ion extraction schemes, direct plasma injection scheme (DPIS) and conventional static extraction, are used depending on the application. We optimized and selected a suitable laser irradiation condition and a beam extraction scheme to meet the requirement of the following accelerator system. We have demonstrated to accelerate more than 5?×?10¹⁰ of C⁶⁺ ions using the DPIS. We successfully commissioned a low-charge ion beam provider to the user facilities in BNL. To achieve higher current, higher charge state and lower emittance, further studies will continue.     

耦合腔结构可调谐双频固体激光器的研究

研究了一种激光二极管(LD)抽运的频差可调谐双频固体激光器,对耦合腔实现双频的方法进行了分析。实验中使用输入镜与腔内插入标准具形成耦合腔实现单频运转,双λ/4波片使单纵模激光频率分裂,通过改变两个λ/4波片快轴之间的夹角来实现频差调谐。在LD抽运光功率为290mW的条件下,获得了频差在0～1.1GHz范围内可调、功率为34mW的双频激光输出。     

Emission Spectrochemical Analysis of Metals Using a Nitrogen Laser

Comparative studies of the possibilities of using pulsed nitrogen and Nd:YAG lasers for emission spectrochemical analysis of copper-zinc alloys have been made. The nitrogen laser developed on the basis of the commercial excimer laser provided an energy of radiation pulses of 5 mJ with an error of less than 0.8% at a repetition frequency of 100 Hz. The high stability and the high pulse repetition frequency of the nitrogen laser were attained due to the additional high-speed fan inside the laser chamber, which provided agitation and circulation of the gas mixture. It has been shown by experiment that the spectral emission of the plasma formed by means of the nitrogen laser is characterized by intensity fluctuations with a root-mean-square deviation of 1.4%, whereas in the case of using an Nd:YAG laser it was 14.3%. The advantages of the nitrogen laser that are due to the increased signal-to-background ratio and the suppression of the selective evaporation effect have been revealed.     

Synthesis of Nano-Cadmium Sulfide by Pulsed Laser Ablation in Liquid Environment

A pulsed laser-assisted in liquid environment method has been developed successfully to synthesize size-tunable (5–12 nm) and different shapes (sphere, rod, rope) of nano II–VI semiconductor (cadmium sulfide). This method can be carried out in two ways; the first one is the top-down technique, which has been discussed in publications in the last few decades, and the other one is the bottom-up technique, which appears for the first time in this paper. X-ray diffraction, ultraviolet-visible spectroscopy, and transmission electron microscopy confirm that the nanoparticles are crystalline. The methods lead to the production of nanomaterials, which are important for photonics and biosensing applications. Both synthesized methods can be applied in all materials because of their ability to ablate almost all kinds of materials due to the ultrahigh energy density and control over the growth process by manipulating the process parameters such as intensity, wavelength, and so on.     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。 (1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2. Chengdu Fine Optical Engineering Research Center, Chengdu 610041, China)