单脉冲激光能量沉积对超声速钝头体波阻的影响

采用数值模拟和实验手段对单脉冲条件下的激光能量沉积减小超声速钝头体波阻进行了系统地研究。首先利用数值仿真的方法模拟了马赫5的超声速气流条件下,能量沉积对半球体阻力特性的影响,通过压力温度等值线及驻点参数的变化规律,分析了能量沉积减阻机理。研究结果表明由于能量的注入,钝头体前弓形激波发生变形,激波脱体距离增大,降低了钝头体表面的压力,从而减小了钝头体的波阻,在单脉冲作用时间内,波阻减小了13%。建立了超声速条件下单脉冲激光能量沉积减阻实验系统,利用高分辨率的纹影系统拍摄激光能量沉积产生的激波与弓形激波相互作用过程,实验结果与数值模拟结果基本吻合。     

飞秒激光等离子体在高超声速飞行器减阻中的应用

报道了利用飞秒激光产生的等离子体冲击波对高超声速飞行的钝体飞行器进行减阻的研究。通过模拟计算了距离地球表面30 km、来流马赫数为5的大气环境中,飞秒激光能量注入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的机理。通过求解Navier-Stokes方程,计算了飞秒激光能量对飞行器减阻效果的影响。结果发现,利用飞秒激光产生的等离子体冲击波比纳秒激光等离子体冲击波对飞行器的减阻效果更明显。当飞秒激光能量为0.06 m J时,能使飞行器所受的阻力减小98%,飞秒激光能量越高,减阻比越高,低阻力持续的时间越长,减阻效果越好。采用3个飞秒激光能量点源沉积的方式能够更好地实现飞行器的减阻,提高了最佳减阻比,节省了激光能量。     

纳秒脉冲激光能量沉积激波减阻机理数值研究

为详细揭示纳秒单脉冲激光能量沉积激波减小波阻的机理,分别研究了单脉冲激光能量沉积与正激波相互作用、单脉冲激光能量沉积与弓形激波超声速流场相互作用。鉴于常用数值模拟方法不考虑空气的离解和电离,不能合理模拟激光能量沉积诱导等离子体热核的空间分布,采用泪滴形能量分布,且耦合有限速率化学反应模型,所得到的激波和热核演化过程的数值模拟结果与实验吻合程度高,验证了所提出模拟方法的合理性。分别选取马赫数为1.92条件下的正激波和弓形激波,入射激光能量大小为10.1 mJ和12 mJ,研究表明:单脉冲激光能量沉积诱导形成的等离子体热核通过正激波后,形成上下对称的涡环结构;在弓形激波条件下,在波后形成的低压涡环引起波阻减小,这是激波减阻的主要机理。     

激光减阻机理研究进展

激光等离子体减阻技术对于高超声速飞行器减阻隔热和提高飞行器性能具有重要意义。介绍了脉冲激光减阻研究的数值计算模型和实验研究方法;总结了激光等离子体减阻机理;讨论了入射激光能量、能量沉积位置和流场马赫数等关键参数对减阻性能的影响规律。针对目前研究现状,提出通过等离子体热核建立关键参数与激光减阻效果间联系的建议。     

超声速飞行器主动减阻技术研究进展

随着超声速飞行器的迅猛发展,空气动力学者认为减小阻力是实现超声速飞行器飞得更快更远的目标和提高飞行器气动性能的一种重要手段.目前世界许多军事强国先后开展了超声速飞行器减阻技术的研究和探索.本文介绍了目前主要研究的主动减阻方法及原理,对逆向喷流、边界层控制及能量沉积减阻的研究现状进行了综述和分析,特别是对目前倍受关注能量沉积减阻技术进行重点综述.最后针对各类减阻技术的特点,分析了减阻方法所涉及的关键技术,为超声速飞行器减阻技术的发展提出了几点建议.     

激光等离子体热核与激波相互作用的流动特性研究

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台，利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明:激光等离子体热核界面变形，弯曲并最终形成双涡环结构，展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右，流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长，从微观层面进一步揭示了激光减阻机理，对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。     

关键参数对激光等离子体热核与激波相互作用过程的影响规律

针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象,运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性,获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明:在正激波的冲击下,热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势,入射激光能量越高,热核在激波冲击下的宽度越大;热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长,增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据,相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。     

激光等离子体化学气相沉积掺氢非晶硅薄膜——一种新的LCVD方法

本文提出了一种新的激光化学沉积方法,即激光等离子体化学气相沉积(LPCVD)方法。这一方法的特点是利用激光等离子体将激光能量高效率地注入气体,从而使能量得到充分利用,并得到大面积范围的沉积。 文中给出了由流体力学基本方程出发导出的激波解析解,即气体压强、密度,温度和流速的时、空分布。阐明了激光等离子体引起的激波是使气体分子热离解的主要原因。描述了用此方法沉积掺氢非晶硅薄膜的实验。实验发现气体压强、流量、衬底温度和SiH_4在SiH_4和     

不同约束下激光推进流场波系结构实验研究

利用透镜聚焦CO2激光击穿空气,在有效解决实验系统时序问题的基础上,借助高速阴影系统研究了3种不同约束构形下激光推进的流场波系结构,获得了波系演化的时序照片,并初步分析了等离子体点火特性和激光支持吸收波(之后退化为激波)的传播速度.结果表明:无约束下流场约呈椭圆形扩散衰减,平面靶和15°扩张靶约束下发生明显的激波反射和边界绕射现象,3种约束中心均出现缓慢变化的低密度高压气团;3种约束下激光支持的爆轰波退化为激波时速度急剧下降,之后激波速度变化平缓,约70～80μs降至声速.     

高功率脉冲激光产生的激波在靶材中的传播

脉冲强激光辐照固体靶材时,瞬间即可在靶材辐照面形成一个高温高压的等离子体层.该等离子体向外高速喷射,从而施于靶面一个压力极高的冲击加载,导致一系列向靶内传播的压缩波.随着激光的持续辐照,陆续传入靶内的压缩波会形成一个阵面陡峭的激波.当激光强度保持恒定时,施于靶面的烧蚀压力亦保持不变,因而此时靶内的激波阵面压力会维持一个平稳阶段.在激光与靶材作用的后期,由于激光功率密度减小,表面烧蚀压降低,因而将一系列稀疏波传入靶内,由于稀疏波以当地声速和波阵面后粒子声速之和的速度传播,则经过一段时间之后,稀疏波便赶上激波并与之迭加,其结果使得激波波阵面压力降低.激光激波在靶材中同样经历着增强、持续和衰减三个阶段.文中采用流体动力学模型,解析地描述了脉冲强激光辐照靶材时,激波的产生及增强、维持和衰减规律,给出了激波峰值压力、激波速度、激波波形的时空关系.     

纳秒激光等离子体减阻数值模拟

针对激光等离子体减阻技术机理,采用纳秒激光,数值模拟激光等离子体在流场中的演化过程,分析关键参数对纳秒激光等离子体减阻性能的影响。结果表明:纳秒激光能最大程度地提高激光等离子体减阻性能,阻力减小的百分比达99%,低阻力维持时间是入射激光持续时间的103倍;随着来流马赫数的增大,空气来流强度增强,导致减小阻力的百分比减小;随着激光能量的增加,激光引致的冲击波强度增大,使得减小阻力的百分比增加;随着激光聚焦击穿位置的增大,减小阻力的百分比减小,但低阻力维持的时间明显增加。     

激光能量注入位置对进气道马赫反射影响数值研究

超声速进气道存在双尖楔结构,在非设计工况下,可能出现马赫反射现象。利用激光能量注人流场产生等离子体,可以改变马赫反射结构,降低马赫杆高度,甚至使马赫反射完全转变为正规反射,达到减少总压损失的目的。基于这种方法,本文在等离子体区域形状和激光能量相同的情况下,计算了马赫数为3．45时,不同的激光能量注入位置对双尖楔简化模型形成的马赫反射结构的影响。计算结果和分析表明,适当增大激光能量注入位置与马赫杆的距离,并减小其与上游斜激波的距离,将有助于降低马赫杆高度,提高激光能量对马赫反射结构的控制效果。     

大气呼吸模式激光推进数值分析

详细分析了激光击穿空气和激光维持等离子体爆轰波(LSD)的传播机制,基于Navier-Stokes方程建立了考虑湍流、等离子体辐射的流场分析模型,采用有限体积法系统分析了推进器喷管内等离子体冲击波流场的演变规律,研究了单脉冲激光能量大小和脉宽对推进性能的影响。数值仿真中明显捕捉到有关实验中观察到的马赫杆的产生与移动过程;得出了推力和冲量耦合系数随脉冲能量、脉宽的变化关系,计算结果与德国空间中心实验吻合得较好,为脉冲激光器的选择和脉冲参数优化提供了参考依据。     

CO2激光诱导液滴射流等离子体的实验研究

为了研究激光诱导射流等离子体特性,了解激光诱导液滴等离子体的发展过程,基于脉冲激光-液滴同步作用系统,采用阴影法,观测了激光作用液滴的阴影图像,取得了液滴在CO2脉冲激光作用下的演化过程数据。对图像进行处理获得了激光诱导液滴等离子体冲击波膨胀范围随时间的变化,并估算出了产生冲击波的激光能量。结果表明,空气冲击波的膨胀半径在当前观测时间范围内线性膨胀,约32%的激光能量用于产生冲击波。空气冲击波的变化规律对激光诱导液态燃料点火的研究提供了一定的参考依据。     

基于流动控制的超声速混合层气动光学效应校正方法研究

利用大涡模拟方法对受周期性控制的超声速混合层进行数值模拟,揭示出受控涡结构的特性;使用光线追踪方法计算光束穿越受控混合层流场产生的气动光学波前畸变。通过对受控涡结构特性的分析,提出了一种气动光学效应校正方法,并以不同控制周期下的超声速混合层为例,对设计的校正方法进行检验。结果表明:对于受周期性控制的超声速混合层,按照校正方法获取的波前补偿信号能够使气动光学波前畸变的幅值降低50%以上;指出混合层流场中涡结构的规整程度是影响畸变波前校正效果的关键因素。     

临近空间高超声速目标RCS模拟技术研究

针对雷达探测临近空间高超声速目标模拟试验中的雷达散射截面（radar cross section，RCS）逼真模拟问题，提出了一种适用于临近空间高超声速飞行器等离子体鞘套下目标RCS衰减模拟方法.首先利用不同高度、不同速度对应的等离子体频率和电子碰撞频率的相关数据，拟合得出不同速度、不同高度对应的等离子体频率和电子碰撞频率关系表；其次，实时查表得到给定雷达频率情况下不同目标高度与速度对应的等离子体频率和电子碰撞频率，建立目标等离子体包覆模型和电磁波传输模型，计算雷达电磁波的衰减系数和反射系数；最后，通过雷达电磁波的衰减系数和反射系数模拟出目标RCS衰减.通过与有关实测数据比对，证明了方法的合理性.仿真分析可知，利用高频率雷达探测临近空间高超声速飞行器将更容易得到连续的航迹，产生雷达"黑障"的时间更短.