（航空宇航科学与技术专业论文）大气吸气光船推力器工作特性数值计算研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 本文针对大气吸气式光船推力器，重点开展了光船的绕流流场数值计算研究 以及耦合激光能量非定常流场的数值计算研究，另外进行了新构型的光船推力器 设计。通过对激光与等离子体相互作用机理以及光船推力器流场方面的研究，以 期更好地掌握光船推力器推力产生机制。 首先，本文阐述了光船推力器流场遵循的物理规律及控制方程，说明了激光 动力转化机理，明确了数值计算方法。物理模型中考虑了1 1 种空气等离子体组分， 采用了2 0 个化学反应式。该模型考虑了热化学非平衡，并采用两温度模型以表征 平动转动能量模式与振动电子能量模式的非平衡。对定常流场的数值计算，采用 n n d 格式与l u s g s 格式相结合的方法；对非定常流场的数值计算还引入了双时 间步的隐式处理方法以提高时间精度；计算中采用点隐式方法解决由化学反应与 能量源项产生的刚性问题。 其次，针对光船推力器定常绕流进行数值模拟研究。为了验证程序的有效性、 可靠性，本文对球模型绕流进行了计算，计算结果与实验结果吻合。本文针对不 同海拔高度、来流马赫数以及不同的光船推力器构型等因素，进行了数值计算并 对计算结果进行了分析。计算得出了不同飞行条件下定常流场的形态以及相应的 阻力、阻力系数。计算结果表明：网格数对光船流场计算结果影响较大，应当在 流场局部区域适当加密网格。来流马赫数对光船推力器定常流场会产生一定影响， 随着马赫数增加，阻力升高，阻力系数下降。海拔高度对光船推力器流场也具有 较大影响，光船推力器由海拔2 0 k m 上升到海拔5 0 k i n 时，其气动阻力下降了接近 两个数量级。构型对光船推力器定常流场影响显著，合理设计环形弧圈是优化光 船推力器工作特性的简单而有效的方式。 再次，针对光船推力器耦合激光能量的非定常流场进行了数值模拟研究。本 文对常用的激光能量沉积过程计算方法以及点火参数确定方法进行了研究与总 结。本文提出了简化的光线跟踪法以实现快速计算激光能量沉积过程。本文计算 并分析了耦合激光能量的空气等离子体流的一维初始间断分解问题，以验证程序 对耦合能量的非定常流场的计算能力，初步研究激光对等离子体流动的作用规律。 本文计算并分析了激光对二维空气等离子体流的作用规律，计算结果表明：等离 子体流在激光作用下迎着激光入射方向定向运动，压力峰值振荡上升。本文重点 研究了不同激光能量沉积过程计算方案在光船推力器非定常流场数值模拟中的应 用，得到了不同计算条件下光船推力器非定常流场的发展规律以及推力、冲量耦 合系数等性能参数。计算结果表明：等离子体在激光能量作用下产生了冲击波， 冲击波运动到壁面处并反射，对壁面产生了较大的压力。当激光沉积能量较少时， 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 高压影响区不会由气流入口处延伸到光船前体，在一个脉冲周期内总冲量可能为 负值，使得光船推力器在一个脉冲周期内速度减小。单脉冲能量越大，产生的推 力峰值越大，冲击波传播速度更快，推力曲线上升更快。通过与实验数据对比可 以发现，在不同单脉冲激光能量条件下，本文计算得到的冲量耦合系数与实验数 据量级一致，但比实验结果小。当采用光线跟踪法计算后续吸收阶段激光能量沉 积过程时，激光光束将在后体抛物面反射后聚焦到焦点附近的扇形吸收区域内， 使得等离子体吸收区获得外加能量，电离度增加，电子数密度升高。等离子体在 吸收能量后，将迎着光束入射方向传播。外加能量部分地转化为压力能，使得吸 收区及其周围区域压力上升。压力峰值在点火后经过短暂的快速上升后开始不断 下降。 最后，作者总结全文工作和计算程序，开发了光船推力器工作特性计算软件 包。 主题词：激光推进光船推力器无粘高温非平衡流数值模拟 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ea i rb r e a t h i n gl i g h t c r a f tt h r u s t e r t h i st h e s i si n v e s t i g a t e dt h ef l o wf i e l do v e r l i g h t c r a f t sa n df o c u s e do nt h en o n s t a t i o n a r yf l o wc o u p l e dw i t hl a s e re n e r g yu s i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o d s i na d d i t i o n ，t h et h e s i s p r o p o s e dl i g h t c r a f tt h r u s t e rw i t hn e w c o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no nt h em e c h a n i s mo fl a s e ra n dp l a s m a i n t e r a c t i o na n dt h el i g h t c r a f t s f l o wf i e l d s t h em e c h a n i s mo ft h r u s tf o r m a t i o no f l i g h t c r a f lt h r u s t e rs h a l lb er e v e a l e da n du n d e r s t o o dm o r ec l e a r l y f i r s t l y ，t h ep h v r s i c a l m o d e l sa n dg o v e m i n ge q u a t i o n so fl i g h t c r a f tt h r u s t e r s f l o w f i e l dw e r ee x p o u n d e d 1 1 1 em e c h a n i s mo fl a s e r - t h r u s tc o n v e r s i o nw a si n t r o d u c e d a n dt h er e l a t e dn u m e r i c a lm e t h o d sw e r ed e c i d e d t h em o d e l e ds y s t e mi n c l u d e d1 l s p e c i e sa n d2 0c h e m i c a lr e a c t i o n s t h et h e r m a la n dc h e m i c a ln o n e q u i l i b r i u mm o d e lw a s c o n s i d e r e d t h et h e r m a ln o n e q u i l i b r i u mw a sm o d e l e dw i t hat w o - t e m p e r a t u r e a p p r o x i m a t i o n w h i c hu s e dat r a n s l a t i o n a l r o t a t i o n a lt e m p e r a t u r ea n dav i b r a t i o n a l - e l e c t o n i ct e m p e r a t u r et od i s c r i b et h ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n te n e g ym o d e s t h en n d s c h e m ea n dl u s g si m p l i c i tt i m es c h e m ew e r ec o m b i n e da n du s e di nt h en u m e r i c a l c a l c u a l t i o no ns t a t i o n a r yf l o w t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no nn o n s t a t i o n a r yf l o w i n t r o d u c e dt h ed u a l t i m e s t e pm e t h o dt oi n c r e a s et h et i m ea c c u r a c y 1 1 1 ep o i n ti m p l i c i t m e t h o dw a si n t r o d u c e dt os o l v et h es t i f fp r o b l e mc a u s e db yc h e m i c a lr e a c t i o n sa n d e n e r g yt e r m s s e c o n d l y ，t h es t a t i o n a r yf l o wo v e rl i g h t c r a f ft h r u s t e rw a si n v e s t i g a t e du s i n gt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s t h ec o m p u t a t i o n a lc o d e sw e r ev a l i d a t e da c c o r d i n gt o t h en e m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eb a l lm o d e l 1 1 1 er e s u l t sf i t t e di nw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sl i s t e di nl i t e r a t u r e s n u m e r i c a lc a l c u a l t i o n sa n da n a l y s e sw e r ep r e s e n t e dt or e v e a l t h ee f f e c to fs e v e r a lf a c t o r so nf l o w f i e l d ，i n c l u d i n gt h ea l t i t u d e ，m a t hn u m b e ro f i n c o m i n gf l o w , l i g h t c r a f t c o n f i g u r a t i o n sa n do t h e rs e tc o n d i t i o n s 1 1 1 es h a p e so ft h e f l o wf i e l d ，t h ea e r o d y n a m i cd r a ga n dd r a gc o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n tf l i g h tc o n d i t i o n s w e r ec a l c u l a t e da n de d u c e d i ti n d i c a t e dt h a tt h en u m b e ro fc o m p u t a t i o n a lm e s h e sh a d g r e a te f f e c to nt h er e s u l t s t h em e s h e ss h o u l db ec o n c e n t r a t e di np a r t so ff l o wf i e l d 1 1 1 e m a c hn u m b e ro fi n c o m i n gf l o wi n f l u e n c e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s w i t ht h ei n c r e a s eo f m a c hn u m b e r , t h ea e r o d y n a m i cd r a gi n c r e a s e d ，b u tt h ed r a gc o e f f i c i e n td e c r e a s e d t h e a l t i t u d eh a de f f e c to nt h el i g h t c r a f t sf l o wf i e l d 、胁e nt h el i g h t c r a f tt h r u s t e rr o s et oa n a l t i t u d eo f5 0 k mf r o ma na l t i t u d eo f2 0 k m ，t h ea e r o d y n a m i cd r a gd e c r e a s e df o ra b o u t t w oo r d e r so fm a g n i t u d e i na d d i t i o n ，t h ec o n f i g u r a t i o no fl i g h t c r a f ii m p a c t e do nt h e s t a t i o n a r yf l o wf i e l d c h a n g i n ga n dd e s i g n i n gt h el i g h t c r a f t ss h r o u dm a yb eas i m p l e a n de f f e c t i v em e t h o dt oo p t i m i z et h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t c r a f it h r u s t e r t h i r d l y t h en o n s t a t i o n a r yf l o wo fl i g h t c r a f tt h r u s t e rc o u p l e dw i ml a s e re n e r g yw a s a l s oi n v e s t i g a t e du s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s t h em e t h o d sa n ds o l u t i o n s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 u s e dw i d e l yi nc a l c u l a t i n gt h ee n e r g yd e p o s i t i o n p r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d a n d s u m m a r i z e d 硒em e t h o d sf o ra s c e r t a i n i n gt h ei g n i t i o np a r a m e t e r sw e r ei n t r o d u c e d a s i m p l i f i e dr a y t r a c i n gm e t h o dw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ec o m p u t i n gs p e e di n c a l c u l a t i n gt h ec o u r s eo fl a s e rd e p o s i t i o n o n ed i m e n s i o n a ld i s c o n t i n u o u ss o l u t i o n so f l a s e rs u p p o r t e da i rp l a s m aw a ss o l v e dt ov a l i d a t et h ec o m p u t a t i o n a lp r o g r a ma n dt o r e v e a lt h em e c h n i s mo fl a s e ra n dp l a s m ai n t e r a c t i o n t w od i m e n s i o n a lf l o wf i e l do f l a s e rs u p p o r t e da i rp l a s m aw a sa l s os o l v e d i ti n d i c a t e dt h a tt h ep l a s m am o v e df a c i n g w i t ht h el a s e rb e a m ，a n dt h ep e a ko fp r e s s u r ei n c r e a s e dw i t ho s c i l l a t i o n t h et h e s i s f o c u s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn o n s t a t i o n a r yf l o wf i e l du s i n gd i f f e r e n t s o l u t i o n so nc a c u l a t i n gt h ep r o c e s so fl a s e rd e p o s i t i o n t h ee v o l u t i o no fn o n s t a t i o n a r y f l o wf i e l da n ds o m ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha s t h u r s ta n di m p u l s ec o u p l i n g c o e f f i c i e n t ，w e r ec a l c u l a t e d i ti n d i c a t e dt h a tt h e s h o c kw a v ep r o d u c e db yl a s e r s u p p o r t e dp l a s m aw o u l dm o v et o w a r d st h ew a l la n dr e f l e c tw i t hp r e s s u r ei n c r e a s i n g w h e nt h eq u a n t i t yo fl a s e rd e p o s i t i o nw a sn o te n o u g h ，t h ea r e ao fc o v e r a g eo fh i g h p r e s s u r ew o u l db el i m i t e d ，t h ef o r e b o d yo fl i g h t c r a f tw o u l dn o tb ei n f l u e n c e db yt h e h i g hp r e s s u r e ，a n dt h ei m p u l s ew i t h i nas i n g l ep u l s ew i d t hm a y b en e g a t i v ev a l u e ，w h i c h w o u l dd e c r e a s et h el i g h t c r a f t sf l i g h tv e l o c i t y w i t ht h ei n c r e a s eo fe n e r g yo fs i n g l e p u s l e ，t h ep e a ko fp r e s s u r ei n c r e a s e d ，t h ev e l o c i t yo fs h o c kw a v ei n c r e a s e d ，a n dt h e t h r u s tc u r v ei n c r e a s e df a s t e r t h ec a l c u l a t e dp e r f o r m a c ed a t a ( e g c o u p l i n gc o e f f i c i e n t s ) w e r ec o m p a r e dt ot h em e a s u r e dd a t a i ti n d i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n d e x p e r i m e t a ld a t ah a d t h es a m eo r d e ro f m a g n i t u d e ，b u tt h ec a l c u l a t e dd a t aw e r es m a l l e r w h e nu s i n gt h e s i m p l i f i e dm y t r a c i n gm e t h o dt o s i m u l a t et h e p r o c e s so fl a s e r d e p o s i t i o na tt h el a t e rs t a g eo fl a s e ra b s o r p t i o n ，i ti n d i c a t e dt h a tt h el a s e rb e a mr e f l e c t e d a n df o c u s e do nt h ea b s o r p t i v es e c t o rz o n e ，a n dt h ed e g r e eo fi o n i z a t i o no rn u m b e r d e n s i t yo fe l e c t r o n si nt h ea b s o r p t i o nz o n ei n c r e a s e d w i t ht h el a s e re n e r g ya b s o r b e d ， t h ep l a s m am o v e df a c i n gw i t ht h el a s e rb e a m t h el a s e re n e r g yw a sc o n v e r t e di n t ot h e p r e s s u r ee n e r g yp a r t i a l l y ，w h i c hd r i v e dt h ep r e s s u r en e a ra b s o r p t i o nz o n et oi n c r e a s e a n dt h ep e a ko fp r e s s u r ew o u l dd e c r e a s ea f t e rt e m p o r a r yi n c r e a s e f i n a l l y ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ew h o l ew o r ka n dc o m p i l e das o f t w a r ek i tf o r c a l c u l a t i n gt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t c r a f tt h r u s t e r k e y w o r d s ：l a s e rp r o p u l s i o n ；l i g h t c r a f ft h r u s t e r ；i n v i s c i d h i g h t e m p e r a t u r en o n e q u i l i b r i u mf l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 球模型计算状态3 0 表4 2 球模型激波脱体距离计算结果与实验结果对比3 l 表4 3 激光推进实验中采用的不同光船构型3 3 表4 4 构型m 光船推力器定常绕流计算条件4 0 表4 5 各分区网格节点数方案4 0 表5 1 点火半径与焦点密度5 3 表5 22 0 k m 来流马赫数为5 时点火区组分5 4 表5 3 光船推力器飞行条件7 0 表5 4 点火参数设置7 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1m y r a b o 光船推力器。3 图1 2 光船地面试验系统6 图1 3 光船发射视频截图6 图4 1 球模型计算网格3 0 图4 2 实验与计算阴影图对比3 0 图4 3 不同气体模型压力分布3 1 图4 4 不同气体模型密度分布3 1 图4 5 不同气体模型驻点线上压力分布3 l 图4 6 不同气体模型驻点线上密度分布31 图4 7 压力、密度分布3 2 图4 8 温度r 与兀分布3 2 图4 9 电子数密度分布3 2 图4 10 驻点线上各组分质量分数分布。3 2 图4 1 1 计算中用到的两种光船构型一3 4 图4 1 2 激光推力器坐标系一3 4 图4 13 新概念光船效果图一3 5 图4 1 4 单喷管光船发动机示意图一3 5 图4 15 双喷管光船发动机示意图3 6 图4 16 分光镜示意图3 6 图4 1 7 构型m 光船推力器计算网格划分3 8 图4 1 8 构型n 光船推力器计算网格划分。3 9 图4 1 9 虚拟网格设置3 9 图4 2 0 光船推力器俯仰子午线上压力与密度分布一4 1 图4 2 1 环形弧圈上表面的压力与密度分布4 1 图4 2 2 不同来流马赫数下构型m 光船定常绕流压力分布4 2 图4 2 3 海拔5 0 k m 不同来流速度下构型m 光船表面的压力分布。4 2 图4 2 4 来流速度4 0 0 0 m s 构型m 光船推力器流线图4 3 图4 2 5 不同来流马赫数下构型m 光船定常绕流密度分布4 3 图4 2 6 不同来流马赫数下构型m 光船定常绕流平动转动温度分布4 4 图4 2 7 不同来流马赫数下构型m 光船定常绕流振动温度分布4 5 图4 2 8 来流马赫数为1 2 1 2 时构型m 光船俯仰子午线上温度分布4 5 图4 2 9 来流马赫数为1 2 1 2 时构型m 光船电子数密度分布4 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 。3 0 来流马赫数为1 2 1 2 时构型m 光船俯仰子午线上电子数密度分靠。4 6 图4 3 1 不同来流马赫数下构型m 光船推力器阻力与阻力系数4 6 图4 3 2 构型m 光船推力器流场结构示意图4 7 图4 3 3 光船推力器的实验纹影图4 7 图4 3 4 光船推力器风洞实验系统4 7 图4 3 5 构型m 光船推力器的绕流流场4 8 图4 3 6 构型n 光船推力器流场压力与密度分布4 9 图5 1 点火区参数计算流程5 2 图5 2 点火状态参数选择示意图5 3 图5 3 高温空气各组分摩尔浓度及混合物压力随温度变化特性5 5 图5 4 简化光线追踪法网格与控制体示意图5 7 图5 5 激光入射面示意图5 7 图5 6 简化r t m 计算得到的激光光束。5 9 图5 7 焦点附近局部放大图5 9 图5 8 不同入射激光强度下最大激光能量沉积率随吸收系数变化曲线5 9 图5 9 不同入射激光强度下激光吸收效率随吸收系数变化曲线5 9 图5 10 激光能量沉积率分布5 9 图5 1 1 一维模型的初始状态6 l 图5 1 2 不同时刻平动转动温度t t r 以及振动电子温度t v e 分布6 3 图5 13 不同时刻混合物压力分布6 4 图5 1 4 温度与电子粒子数密度发展历程对比6 5 图5 1 5 厶= 1 0 0 m w c n l 2 ，t = 0 0 4 u s 压力分布6 6 图5 1 6i o = 1 0 0 m w c m 2 ，t = 0 0 6 i s 压力分布6 6 图5 17 计算模型6 7 图5 18 无量纲压力分布演化6 8 图5 19 激光束中心线上无量纲压力分布演化6 9 图5 2 0t - = 0 3 s 点火区附近流场参数7 1 图5 2 1t - = 3 0 s 时点火区附近流场参数7 2 图5 2 2t = 8 1 3 s 时流场参数7 3 图5 2 3 冲击波形成与传播示意图7 3 图5 2 4 冲击波对流场形态的影响示意图7 3 图5 2 5 推力曲线7 4 图5 2 6o 5 s 推力曲线7 5 图5 2 70 - 1 5 0 i s 推力曲线7 5 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 2 8 不同马赫数f 的冲量耦合系数7 5 图5 2 9 不同单脉冲激光能量下的冲量耦合系数7 5 图5 3 0 构型n 光船推力器压力分布发展历程7 6 图5 3 l 构型n 光船初始受力段的压力分布发展历程7 7 图5 3 2 构型n 光船推力器推力曲线7 7 图5 3 3 压力分布7 8 图5 3 4 电子数密度分布7 8 图5 3 5 径向速度分布7 8 图5 3 6l s d 波生成示意图7 8 图5 3 7 冲击波生成与传播7 9 图5 3 8 激光脉冲序列示意图8 0 图5 3 9 激光脉冲序列作用下光船推力器流场形态8 0 图5 4 0l c w b 软件包组成示意图8 1 图5 4 l 软件安装界面8 3 图5 4 2 光船推力器计算软件主界面。8 3 图5 4 3 查看网格划分情况8 4 图5 4 4 初始化对话框8 4 图5 4 5 边界条件对话框8 4 图5 4 6 计算格式选择对话框8 4 图5 4 7 步长设置对话框8 5 图5 4 8 迭代设置对话框8 5 图5 4 9 软件计算界面8 5 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：太氢区氢出整搀左墨王簋挂! 陛熬焦i 土簋珏塞 学位论文作者签名：墨墨虻 日期：力哆年，月沙日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：互堑盛虽日期：加哆年月勿日 作者指导撕獭：j 灶 魄哆年月彳日 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 航天发射系统的核心在于动力。目前用于航天发射的动力装置主要为运载火 箭和航天飞机等航天运载器。运载火箭和航天飞机一般自带燃料和氧化剂，并通 过燃烧工质产生推力。 传统航天运载器存在着难以克服的缺点。一般在发射前燃料与氧化剂占火箭 总质量的9 0 以上，有效载荷比很低。化学火箭依靠燃料燃烧做功，燃烧温度限 制了比冲的进一步提高。受推进剂化学反应所产生的最高温度的限制，所采用的 化学火箭发动机的比冲不会超过5 0 0 s 。化学火箭需要携带复杂部件，使得化学火 箭故障率较高。除了易发生故障外，这些复杂部件大多不能重复使用。尽管航天 飞机可以重复使用，但航天飞机维护成本高，且出现过多起严重的事故，存在巨 大的安全隐患。传统航天运载器的这些缺点限制了空间技术、航天技术的应用。 k a n t r o w i t z 【l 】提出的激光推进( l a s e rp r o p u l s i o n ，简称l p ) 概念为解决传统航天 器存在的问题提供了可能。在m a i m a i l 【2 】研制成功世界上第一台激光器十余年后， k a n t r o w i t z 于1 9 7 2 年首次提出激光推进概念，即利用地基激光器发射有效载荷到 近地轨道。k a n t r o w i t z 认为，通过将激光能量投射到远处飞行器上，可以使飞行器 附近工质被加热并形成等离子体，从而产生反冲力以推动飞行器携带着有效载荷 进入目标轨道。k a n t r o w i t z 预计使用g w 级的激光并采用激光烧蚀固体推进剂的方 式，可以将1 吨有效载荷发射到近地轨道。 与传统化学火箭发射方式相比，激光推进有明显的优点【3 ”】。激光推进具有较 大推力、高比冲( 1 0 0 0 s 以上) 以及较大有效载荷比：激光推力器结构简单、安全 可靠：另外，激光推进发射准备时间短，可以不问断连续发射，发射费用低，总 发射能力强。 激光推进有许多亟待解决的难题【5 1 。( 1 ) 激光推进所需基础设施的研制成本较 高，例如：使用2 0 m w 激光器、携带1 5 0 k g 推进剂以及实现2 0 k g 以上在轨有效载 荷的激光推进系统，其基础设施的造价高达数亿美元；( 2 ) 激光推力器的定位与跟 踪比较困难；( 3 ) 激光推力器的构型与材料需要精心的设计与选取；( 4 ) 需要控制推 力器的飞行姿态以解决大气对光船的干扰等难题；( 5 ) 需要研究耦合激光能量的激 光推力器的工作性能和机制，以提高激光能量转化为光船推力的能力。 激光推进经过多年的发展，已由概念研究、基础理论研究、验证性飞行实验 研究逐步过渡到应用研究阶段，其中研究较多的、能实现真正飞行的是m y r a b o 等 人提出的具有塞式喷管的光船推力器( l i g h t c r a f tt h r u s t e r ) f 6 】【7 】【8 】【9 】和b o h n 等人提 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出的钟形光船推力器【lo j i l 。特别是m y r a b o 等人提出的光船推力器，已成为激光推 进研究的热点之一。 激光推进及其相关的光船推力器具有较好的应用前景。随着空间开发和空间 探索的进一步发展，必将产生对具有明显优点的激光推进技术的广泛需求。文献【3 】f 4 】 指出激光推进在发射微小卫星方面具有明显的优势。基于激光推进概念，可以使 用1 0 0 m w 的激光器发射直径2 m 、初始质量为1 0 0 k g 的激光推力器进入近地轨道。 激光推力器在到达海拔2 0 k m 前使用大气吸气模式，然后转换为火箭模式利用所载 的推进剂飞行到1 0 0 k m 高度。在l o o k m 高度后，推力器加速度显著降低。在1 0 0 0 k m 海拔即发射1 5 m i n 后燃料耗尽，大约1 5 0 k g 有效载荷留在轨道上。激光推进可能 用于卫星的姿态调整、位置保持以及空间操作。这种激光推进可称为激光微推进。 另外，激光推进可能与微波推进、电推进、霍尔推进等新型推进方式实现有机结 合，进一步扩展应用领域。 深入研究m y r a b o 等人提出的光船推力器，不仅可揭示光船推力器的工作特性 与推力产生机理，而且可为设计新构型光船推力器奠定技术基础。 本文在前人研究基础上，利用高温气体动力学、计算流体力学、等离子体物 理学等知识，采用数值模拟方法，重点研究了大气吸气式激光光船推力器的工作 特性，研究内容主要包括：多种工况下光船推力器的定常流场、耦合激光能量的 非定常流场以及相应的性能参数。 1 2m y r a b o 光船推力器概述 1 2 1 光船推力器分类 本文将采用激光推进概念进行工作的推力器统称为激光推力器或称为光船推 力器，将m y r a b o 等人提出的光船推力器【6 】【7 】【8 l 【9 j 称为m y r a b o 光船推力器。 激光推力器可以接收由地基或天基激光器投射的能量束，并将能量转化为自 身的机械能，因此激光推进常与微波推进一起被称为束能推进。 激光推力器种类较多。经过多年的发展，人们提出了许多构型的推力器，包 括m y r a b o 光船推力器、b o h n 等人提出的钟形光船推力器【1 0 】【1 1 1 、连续激光推力器 【1 2 】、大气吸气式重复脉冲激光推力器【1 3 】【1 4 】、管道内激光驱动推力器( l 1 1 a ) 【1 5 1 、激 光发动机【l6 j 以及用于太空飞行器的完整的激光推进系统【1 7 】。 激光推力器可以使用气体、液体或固体作为工质，从而可以将激光推力器分 为气体激光推力器、液体激光推力器以及烧蚀固体激光推力器。按照使用的激光 类型，激光推力器可以分为连续波( c w ，c o n t i n u o u sw a v e ) 激光推力器和重复脉冲 ( r v ，r e p e t i t i v ep u l s e ) 激光推力器。按照喷管样式，激光推力器分为塞式喷管光船、 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图iim y r a j 】0 光船推力器 m y r a b o 光船推力器是一种塞式喷管光船，一般采用大气吸气模式进行工作， 属于气体激光推力器。在高海拔的稀薄大气中，为了产生足够的推力，m y r a b o 光 船推力器可以采用烧蚀固体模式，此时m y r a b o 光船推力器属于烧蚀圃体激光推力 器。m y r a b o 光船推力器一般采用重复脉冲激光推进，属于重复脉冲激光推力器。 12 2m y m b o 光船推力器结构与工作原理 m y r a b o 光船推力器结构较简单，主要分为前体( f o r e b o d y ) 、环形弧圈( s h r o u d ) 以及后体( a t ! i e r b o d y ) 三部分，如图1 1 所示。