飞秒激光等离子体在高超声速飞行器减阻降温中的应用

摘要

高超声速飞行器减阻降温已成为航天领域内重要的研究课题，本文主要探索了利用飞秒激光等离子体实现飞行器减阻降温的问题，主要是数值计算和理论分析研究。
　　首先分析了飞秒激光击穿空气产生等离子体、冲击波的演化过程，模拟计算了距离地球表面30km、来流马赫数为5的大气环境中，在飞行器前端注入飞秒激光能量后产生的等离子体冲击波与钝体飞行器头部正激波相互耦合的演化过程，分析了飞秒激光等离子体减阻降温的机理。飞秒激光击穿空气产生高温高压的等离子体，等离子体吸收激光能量向外迅速膨胀的过程中推动周围空气产生冲击波，冲击波与钝体飞行器头部的弓形正激波相互耦合，使弓形激波的结构了发生变化，将其变为较弱的斜激波，从而降低了激波对飞行器表面的压力，减小了飞行器壁面与周围大气的摩擦，使得周围气体向飞行器壁面传递的热量减少，实现了飞行器的减阻降温。
　　然后通过求解 Navier-Stokes方程，计算了飞秒激光能量、激光重复频率、激光聚焦位置以及来流马赫数对飞行器减阻降温效果的影响。计算发现，一定范围内注入的飞秒激光能量越高，减阻比和降温比越高，低阻力持续时间越长，实现飞行器减阻降温时所需激光重复频率越小。当在L=100 mm处注入激光能量为0.035mJ时减阻比可达93％，激光能量为0.015 mJ时降温比可达80%。当激光点火位置 L/D=2时，减阻降温效果最佳。减阻比和降温比随来流马赫数的增加先增大后减小然后趋于稳定。
　　最后，本论文提出了一种三激光能量点源沉积的新方式，理论模拟计算发现，此种方式与单激光能量点源沉积方式相比更能减小飞行器表面的阻力和温度，提高了减阻比和降温比，并且对激光能量的需求小，降低了对飞秒激光器的要求，提高了飞秒激光能量的利用率。

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第一章 绪论

1.1高超声速飞行器的研究背景及意义

1.2高超声速飞行器减阻降温的方法

1.3激光等离子体减阻降温的研究进展

1.4本论文的主要工作

第二章 激光等离子体冲击波的演化及高超声速飞行的流体动力学理论

2.1飞秒激光等离子体及冲击波的形成过程

2.2钝体飞行器高超声速飞行的流体动力学理论

2.3本章小结

第三章 飞秒激光等离子体实现飞行器减阻降温的机理分析

3.1在飞行器前端注入飞秒激光能量后压力流场的变化

3.2在飞行器前端注入飞秒激光能量后密度流场的变化

3.3在飞行器前端注入飞秒激光能量后温度流场的变化

3.4本章小结

第四章 飞秒激光等离子体实现飞行器减阻降温的数值计算

4.1飞秒激光能量对飞行器减阻降温性能的影响

4.2飞秒激光重复频率对减阻降温效果的影响

4.3激光点火位置对减阻降温效果的影响

4.4来流马赫数对减阻降温效果的影响

4.5本章小结

第五章 在飞行器前端注入三个激光能量点源实现飞行器减阻降温的新方法

5.1三个激光能量点源沉积的新方式

5.2钝体飞行器头部驻点处温度及压力的变化

5.3三个激光能量点源注入方式下减阻降温情况

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本论文的总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢