飞秒激光等离子体在高超声速飞行器减阻降温中的应用

作     者：付宁 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张贵忠

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：飞秒激光等离子体 Navier-Stokes方程 高超声速飞行器 减阻降温 

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=100mm处注入激光能量为0.035mJ时减阻比可达93%,激光能量为0.015mJ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。