脉冲激光辐照聚合物工质烧蚀推进机理与性能优化研究

摘要

本文以激光推进火箭发射纳卫星、皮卫星为背景，针对脉冲激光辐照聚合物工质的热解、产物飞散反冲作用、产物羽流场中激光支持燃烧波/爆震波的形成和传播、聚合物中掺杂金属颗粒剥蚀、镶嵌金属丝羽流场发展等主要现象和问题，采用理论分析、数值仿真为主，辅以实验校验的方法，开展脉冲激光烧蚀聚合物工质的推进机理与性能优化研究。
　　提出描述激光脉冲辐照期间质量损失进程的分层烧蚀模型，建立了一种烧蚀过程控制的激光烧蚀推进（Laser ablation propulsion, LAP）性能解析计算方法，可给出烧蚀质量随时间变化的过程，能反映激光光强、脉宽、工质吸收系数、热导率和比烧蚀能等因素对推进性能参数的影响，与实验数据对比表明计算方法合理有效。
　　建立了一个激光烧蚀聚合物工质冲量产生过程模型，可反映聚合物热解率变化引起的跨临界温度烧蚀机制转变及其对羽流场入口组分和状态参数的影响，考虑了十四组元化学平衡组成、产物电离和等离子体发展等过程，能描述羽流场组分演变及其对入射激光的动态屏蔽效应；采用自编程序与商用软件协作实现了数值仿真系统。通过与经典算例的解析或者数值结果比对，以及与烧蚀实验的羽流场超高速成像和冲量测量结果对比，表明系统运行稳定、计算结果合理可信。
　　数值研究了单脉冲和双脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生机理和推进性能，研究了激光能量面密度和激光能量时域分布对LAP冲量产生过程和推进性能的影响，给出了单脉冲LAP性能与光强和脉冲的二次回归模型及优化参数；详细探讨了双脉冲激光烧蚀聚合物推进中羽流场的发展和冲量产生机理，揭示了两个脉冲在羽流场发展中的作用及其对推进性能的贡献。第一脉冲提供了足够的烧蚀产物，第二脉冲到达后击穿第一脉冲烧蚀产物，并维持激光维持爆轰波（Laser-Supported Detonation wave- LSD）发展形成显著的屏蔽效应，使第一脉冲烧蚀产物飞散速度增加，同时也使第二脉冲的烧蚀质量大大减少，比冲因此得以提高。通过正交实验设计、均匀实验设计和数值仿真，以两个激光脉冲的光强、脉宽和脉冲间隔为影响因素，对双脉冲LAP性能进行了优化。
　　建立了考虑掺杂金属颗粒聚合物工质的细观结构的脉冲激光辐照烧蚀与冲量产生过程数值模型，能反映金属对聚合物烧蚀过程的影响、含金属成分羽流场发展及其对入射激光的屏蔽效应，计算结果捕捉到了镶嵌颗粒的不规则烧蚀面及金属颗粒的粒状剥蚀现象，揭示了掺杂金属颗粒聚合物工质不同实验比冲数值差异大的主要原因。
　　建立了脉冲激光辐照表面覆盖金属网聚合物工质冲量产生过程数值模型，能反映金属网结构参数对烧蚀和羽流场的影响，计算结果揭示了金属网诱导等离子体的存在是LAP性能提高的主要原因。金属网促使金属网位置形成高压等离子体，并阻滞来流在其与烧蚀面之间形成低速区，显著降低了激光脉冲结束后烧蚀面压强的衰减速度，使推进性能全面提高；聚合物烧蚀是影响推进性能最主要的因素，金属网在其基础上起明显地增幅作用。以金属网格间距、金属网与烧蚀面距离、激光强度和脉宽为影响因素，开展了正交实验设计与数值仿真，给出了推进性能参数优化结果。
　　综上所述，本文对激光烧蚀聚合物工质及其与金属复合工质的推进机理与性能影响因素进行了系统研究，所得结论可用于指导LAP推力器的设计和参数选择，为激光推进发射微小卫星提供理论支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2脉冲激光烧蚀推进机理研究情况综述

1.3激光与聚合物相互作用概述

1.4本文研究内容和组织结构

第二章 烧蚀过程控制的推进性能解析计算模型

2.1引言

2.2工质烧蚀质量解析计算模型

2.3烧蚀产物能量转换及其特征速度

2.4推进性能参数解析计算模型

2.5推进性能影响参数分析

2.6小结

第三章 激光辐照聚合物冲量产生过程建模

3.1引言

3.2激光辐照下聚合物的烧蚀

3.3烧蚀产物飞散过程

3.4推进性能参数计算

3.5小结

第四章 激光烧蚀聚合物推进数值仿真系统实现与验证

4.1仿真系统总体结构

4.2仿真系统子模块介绍

4.3系统运行流程

4.4数值方法与程序正确性的算例验证

4.5数值计算与实验结果对比

4.6小结

第五章 单脉冲激光烧蚀聚合物工质推进机理与性能优化

5.1引言

5.2聚合物烧蚀的主要参数和特征及其对推进性能的影响

5.3激光能量面密度对冲量产生过程和推进性能的影响

5.4激光能量时域分布对冲量产生过程和推进性能的影响

5.5单脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生机理分析

5.6单脉冲激光烧蚀聚合物推进性能优化

5.7小结

第六章 双脉冲激光烧蚀聚合物工质推进机理与性能优化

6.1引言

6.2数值模型与计算方法

6.3双脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生过程数值仿真结果与分析

6.4 双脉冲烧蚀冲量产生机理分析

6.5双脉冲激光烧蚀聚合物工质推进性能优化

6.6小结

第七章 激光烧蚀聚合物基复合工质推进机理与性能优化

7.1引言

7.2复合工质设计

7.3以掺杂金属颗粒聚合物为工质的冲量产生机理及其推进性能

7.4以金属网/聚合物为工质的冲量产生机理及其推进性能

7.5金属网\聚合物复合工质推进性能优化

7.6小结

第八章 结束语

8.1论文的主要工作与研究结果

8.2论文创新点

8.3展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A ASUM+-up格式构造方法