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真空环境下脉冲激光烧蚀等离子体羽流特性分析

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红外与激光工程 2016年第12期45卷 128-133页

作者：常浩金星林正国装备学院激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说,激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程,并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此,有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流... 详细信息

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说,激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程,并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此,有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流特性。针对等离子体羽流的流场超高速、瞬态、强自发光背景、小尺度的技术难点,采用纳秒级曝光、多幅照片精确拼接技术,采用高速相机和激光器同步时序控制技术,实现纳秒级时间分辨率、亚微米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,实验获得典型碎片材料等离子体羽流演化特性,以及不同激光入射角度下的等离子体羽流演化过程,实验结果可揭示反喷冲量形成规律。

关键词：等离子体羽流激光烧蚀阴影法辐照角度空间碎片

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纳秒激光烧蚀铝等离子体羽流膨胀特性实验

红外与激光工程 2013年第S1期42卷 43-46页

作者：常浩金星周伟静装备学院激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

为研究纳秒激光烧蚀铝产生的等离子体羽流膨胀速度特性,采用波长1 064 nm,脉宽10 ns,功率密度～1.3×108W/cm2YAG激光器烧蚀铝靶材,得到100 ns内铝等离子体在～260 Pa背景压力下的膨胀照片。通过对拍摄照片数据处理得到,等离子体羽流膨... 详细信息

为研究纳秒激光烧蚀铝产生的等离子体羽流膨胀速度特性,采用波长1 064 nm,脉宽10 ns,功率密度～1.3×108W/cm2YAG激光器烧蚀铝靶材,得到100 ns内铝等离子体在～260 Pa背景压力下的膨胀照片。通过对拍摄照片数据处理得到,等离子体羽流膨胀速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布,且高斯函数可以很好地描述烧蚀等离子体羽流速度分布。

关键词：激光烧蚀 ICCD拍照等离子体羽流激光诱导等离子体

激光烧蚀铝合金表面等离子体羽流时空演化特性研究

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激光烧蚀铝合金表面等离子体羽流时空演化特性研究

作者：郝佳宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

激光烧蚀推进的本质是利用高能脉冲激光烧蚀目标靶材表面，使靶面气化电离，形成高速喷射的等离子体羽流，靶材在羽流的反冲作用下被向前推进。高速喷射等离子体羽流所产生的反推力，可用于微纳卫星姿态轨道调控与飞行器的发射等。传统... 详细信息

激光烧蚀推进的本质是利用高能脉冲激光烧蚀目标靶材表面，使靶面气化电离，形成高速喷射的等离子体羽流，靶材在羽流的反冲作用下被向前推进。高速喷射等离子体羽流所产生的反推力，可用于微纳卫星姿态轨道调控与飞行器的发射等。传统对于激光烧蚀推进的研究中，多采用直接提升泵浦激光能量的方式以期望获取更大的推进冲量。然而脉冲激光烧蚀推进性能与激光支持爆轰波的高速膨胀及其转换为冲击波后的衰减过程密切相关，较高速度的爆轰波保证了靶材会在短时间内获得较大的初始比冲。目前研究缺少对于激光烧蚀材料激发等离子体—等离子体膨胀产生爆轰波与冲击波—冲击波作用材料表面做功这一整体物理发展过程的研究。本文通过理论结合实验分别针对激光烧蚀等离子体羽流中爆轰波快速膨胀阶段以及冲击波衰减持续维系冲量的阶段展开研究。首先采用一维辐射-磁流体动力学HELIOS软件来模拟纳秒脉冲激光烧蚀铝靶产生初始等离子体的动态演变过程，并采用多物理场仿真软件COMSOL模拟后期爆轰波转换为冲击波后压力维持阶段的羽流形貌。本文设计构建了一套完整的时间分辨成像系统以研究激光烧蚀等离子体羽流不同发展阶段的特征变化，利用高速成像结合延时控制手段捕获等离子体羽流内部爆轰波的特征，利用激光干涉法结合时空分辨光谱获取激光烧蚀等离子体羽流后期压强、电子密度二维分布特征，并探究激光强度、激光波长以及聚焦光斑大小对激光烧蚀等离子体羽流的影响规律和作用机制。　　本文的研究结果表明激光强度、激光波长以及光斑大小都会通过不同的作用机制影响等离子体羽流的发展过程。激光强度的增加会在激光脉冲作用期间提升爆轰波速度并且缩短等离子体点燃时间，进而减缓了后续冲击波的衰减速度，激光强度的提升还可以增大等离子体与靶面的作用面积。然而当激光强度升高到1.0GW/cm2时，激光强度的增加不再显著提高脉冲期间羽流的速度，爆轰波速度随激光强度的变化关系低于传统 C-J 模型认为的 1/3 指数关系，接近1/4指数关系。由于等离子体屏蔽效应的影响，以及激光-目标和激光-等离子体耦合的差异，在相同的激光强度下，短波长激光烧蚀可以获得比长波长激光更快的等离子体羽流，激光脉冲作用期间三倍频激光可以使等离子体羽流速度提高两倍以上，并且有效提升脉冲作用结束后对靶压力，相同对靶作用面积的情况下短波长等离子体羽流喷射角度更集中。激光总能量一致改变聚焦参数后由于激光强度的增大以及等离子体稀疏波的影响，较小的光斑可使得等离子体羽流膨胀速度更快。本文的研究针对高能激光烧蚀产生等离子体羽流的时空演化特征展开研究，探讨了各项激光特征参数对激光烧蚀等离子体膨胀产生爆轰波与冲击波进而对靶材表面做功这一物理过程的影响规律和作用机制，研究结果为高能量激光烧蚀推进中提升推进性能以及精确控制激光推进的效果提供参考。

关键词：铝合金激光烧蚀等离子体羽流时空演化特性

DSMC/PIC等离子体羽流的大规模并行计算

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DSMC/PIC等离子体羽流的大规模并行计算

作者：张海红国防科技大学

学位级别：硕士

稀薄空气动力学是探讨稀薄气体流动问题中质量、能量传递连同产生的化学反应规律的一门学科。由于环境真空度很高,稀薄效应显著,传统的连续性方法不再适用。等离子体羽流作为稀薄流的一个重要分支,主要应用于等离子器件分析及等离子体... 详细信息

稀薄空气动力学是探讨稀薄气体流动问题中质量、能量传递连同产生的化学反应规律的一门学科。由于环境真空度很高,稀薄效应显著,传统的连续性方法不再适用。等离子体羽流作为稀薄流的一个重要分支,主要应用于等离子器件分析及等离子体推力器等领域。随着高性能计算技术的发展,通过数值模拟研究等离子体羽流成为重要的研究手段和热点方向。直接模拟蒙特卡罗(Direct Simulate Monte Carlo,简称DSMC)方法和粒子网格(Particle-in-cell,简称PIC)方法分别发展和完善成为模拟中性粒子和带电离子的重要数值模拟方法。本文结合科学研究和工程实践中,等离子体羽流数值模拟的并行计算实际需求,针对课题组内部的In-house的DSMC模拟程序,开展等离子体羽流的DSMC模拟的大规模并行计算和动态负载均衡相关研究。结合项目组的带电离子PIC模拟程序,进一步开展DSMC/PIC耦合程序的并行算法设计研究。由于DSMC方法中各个网格单元上仿真分子的运动、碰撞和化学反应都是独立处理的,具有良好的原生算法并行性,非常适合于做并行计算。但是由于仿真分子运动导致的分布不均匀,在做并行计算的过程中就会出现负载不均衡的现象,从而严重限制DSMC并行算法在大规模并行时的效率。本文利用MPI分布式并行计算模型,基于Metis库图剖分技术对计算区域进行负载剖分,利用主从通信模式处理进程间在仿真分子运动过程中出现的仿真分子信息交互,实现了非结构网格DSMC程序的通用并行算法。为了提高并行计算的效率,进一步设计并实现了基于仿真分子数加权的动态调整负载平衡策略,缓解DSMC并行程序由于仿真分子运动导致的负载不均衡性问题,提高算法并行效率。通过对网格规模为9万的模型问题在天河二号高性能计算机平台的单节点上进行并行数值模拟测试,验证了并行算法的正确性和有效性。对比串行DSMC程序,MPI并行版本有效的减少了模拟时间,24进程时取得了7.54倍的性能加速比。在采用负载均衡后,并行DSMC程序的性能得到了提升,性能加速比提高到9.23,并行效率更高。通过进一步将测试的网格规模扩展到98万,并行规模从64进程扩展到256进程时,取得了1.48倍的性能加速比,并行效率维持在37%,具有较好的性能可扩展性。最后,针对DSMC/PIC耦合算法的并行计算,设计了Fortran和C++的混合编程的整体并行计算流程。分析了耦合程序存在的并行难点,采用八叉树算法实现两套网格的对应,利用MPI消息传递设计不同计算过程中仿真分子在两套网格间潮汐迁移的信息交互过程,并给出DSMC/PIC耦合程序的并行算法流程。

关键词：等离子体羽流 DSMC/PIC方法 MPI消息传递并行算法动态负载均衡天河二号

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纳秒激光烧蚀等离子体羽流超快过程实验诊断

机电产品开发与创新 2018年第5期31卷 65-67页

作者：李超常浩洪延姬曹栋栋航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

激光产生的等离子体羽流特性研究是一大挑战。本文设计了高精度时空分辨羽流光学观测系统。利用曝光时间为3ns的ICCD相机记录了激光脉宽12ns、波长1064nm下的激光烧蚀等离子体羽流超快演化过程。着重分析了激光脉冲期间的等离子体羽流... 详细信息

激光产生的等离子体羽流特性研究是一大挑战。本文设计了高精度时空分辨羽流光学观测系统。利用曝光时间为3ns的ICCD相机记录了激光脉宽12ns、波长1064nm下的激光烧蚀等离子体羽流超快演化过程。着重分析了激光脉冲期间的等离子体羽流演化过程,结果表明脉冲激光峰值前羽流呈扁平状,峰值后羽流呈半球形且迅速增大。12ns后的图像表明等离子体核在激光脉冲后脱离靶面,羽流前沿扩展速度减缓。

关键词：激光烧蚀等离子体羽流羽流演化激光脉冲

永磁喷管对毛细管型脉冲等离子体推力器羽流的影响特性研究

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推进技术 2024年

作者：靳丽云李林贾晴晴周珂辉孙安邦丁卫东王亚楠西安交通大学电气工程学院上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心

毛细管型脉冲等离子体推力器能够在低功率条件下实现较高的总体效率，具有良好的发展前景。为了进一步提升微型电推进系统性能，本文建立基于永磁体的磁喷管结构，对毛细管推力器羽流特性开展研究，利用光电联合诊断系统，分析“收敛-... 详细信息

毛细管型脉冲等离子体推力器能够在低功率条件下实现较高的总体效率，具有良好的发展前景。为了进一步提升微型电推进系统性能，本文建立基于永磁体的磁喷管结构，对毛细管推力器羽流特性开展研究，利用光电联合诊断系统，分析“收敛-扩张”和“扩张”型磁场拓扑下推力器羽流特性，讨论了磁喷管中的等离子体加速机制。实验结果表明，磁喷管引发二次电离过程，磁喷管的磁场拓扑能对等离子体羽流产生径向收缩和轴向加速效应，提高推力器的推进性能。在一定范围内磁场越强，磁喷管约束和加速效果越好。使用23.3 mm厚度(Bmax=0.30 T)磁体时离子速度可达30.08 km/s，比无磁喷管时提升了20%。改变磁场构型时，扩张型磁场可以加速更多的快离子。

关键词：毛细管脉冲等离子体推力器磁喷管等离子体羽流二次电离粒子加速

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稳态等离子体推力器羽流数值模拟

固体火箭技术 2008年第5期31卷 484-488页

作者：钱中王平阳杜朝辉康小录上海交通大学机械与动力工程学院航空航天系上海200030 上海航天动力机械研究所上海200233

以国内研制的稳态等离子体推力器羽流为研究对象,建立了基于粒子单元法和直接蒙特卡罗模拟法的数值仿真模型,简化了电子动量方程,运用Boltzmann关系式求解了等离子体电势,研究了羽流电子数密度、离子电流密度及流场温度分布。通过与实... 详细信息

以国内研制的稳态等离子体推力器羽流为研究对象,建立了基于粒子单元法和直接蒙特卡罗模拟法的数值仿真模型,简化了电子动量方程,运用Boltzmann关系式求解了等离子体电势,研究了羽流电子数密度、离子电流密度及流场温度分布。通过与实验数据和已有数值结果对比,以验证模型和编制的程序。研究表明,羽流出口下游0.3-1.0 m处的羽流中心电子数密度约为2.5×10^16-5×10^15m^-3,电流密度约为65-1 A/m^2。文中工作对分析等离子体羽流污染具有参考意义。

关键词：电推力器等离子体羽流粒子单元法(PIC) 直接蒙特卡罗模拟法(DSMC)

毛细管脉冲等离子体推力器等离子羽流分团现象与等效速度测量

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推进技术 2023年第6期44卷 242-252页

作者：王亚楠靳丽云任林渊刘彤宇丁卫东孙安邦李林西安交通大学电气工程学院陕西西安710049 上海空间推进研究所上海201112 上海空间发动机工程技术研究中心上海201112

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质,电热加速机制,结构简单可靠,是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统,对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡... 详细信息

毛细管型脉冲等离子体推力器采用固态工质,电热加速机制,结构简单可靠,是一种具有应用价值的微纳卫星低功率电推进系统。本文建立电学和光学联合诊断系统,对毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流演变过程进行了研究。由于放电电流振荡,推力器等离子体羽流存在二次建立过程。初始阶段等离子体羽流中主要包含带电粒子组分,二次建立阶段等离子体羽流主要包含中性成分。利用光电二极管阵列和窄带滤光片建立了飞行时间法,获得了不同放电电压、腔体内径和腔体长度下等离子体羽流分团的等效速度演变特性。结果表明,电热加速机制能够使带电组分和中性成分获得较为良好的加速效果(>10km/s)。在一定放电能量下,放电腔体长度小于25mm有利于获得较优性能参数。等离子体羽流等效速度结果能够较为准确地反映推力器输出比冲和效率参数变化规律,可作为推力器输出参数便捷有效的评估手段。

关键词：毛细管脉冲等离子体推力器等离子体羽流飞行时间法等效速度二次建立过程

基于DSMC/PIC方法的非定常带化学反应等离子体羽流场的数值模拟研究

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基于DSMC/PIC方法的非定常带化学反应等离子体羽流场的数值模拟研...

作者：苏永元国防科技大学

学位级别：硕士

等离子体羽流在稀薄环境中扩散时,连续流数值方法不再适用,羽流场中组分复杂,碰撞种类多,发生复杂的化学反应,同时粒子运动到壁面,与壁面发生碰撞,部分粒子被反射回流场中,部分粒子与壁面发生化学反应,生成新的粒子。再者,在电场作用下... 详细信息

等离子体羽流在稀薄环境中扩散时,连续流数值方法不再适用,羽流场中组分复杂,碰撞种类多,发生复杂的化学反应,同时粒子运动到壁面,与壁面发生碰撞,部分粒子被反射回流场中,部分粒子与壁面发生化学反应,生成新的粒子。再者,在电场作用下带电离子运动复杂,从而导致化学反应和壁面相互作用更加复杂。本文采用DSMC/PIC混合算法,针对等离子体羽流的扩散、演化过程展开研究,主要研究内容有以下几个方面:开展中性粒子的离解-复合反应模型、中性粒子与带电离子间的电荷转移反应模型和壁面化学反应模型研究。带电离子参与化学反应,但忽略电场和磁场对带电离子的影响。在小圆筒侧壁圆孔注入中性粒子、带电离子和金属原子,开展化学反应模型数值模拟研究。通过研究表明,壁面化学反应对流场的时空分布和输运特性影响较大,电荷转移反应影响较小,中性粒子的离解-复合反应对流场中H和H的时空分布影响较为明显,而对不参与化学反应的金属原子X、H和H几乎没有影响。基于课题组DSMC程序开发了非定常DSMC/PIC混合算法。在DSMC模块的基础上添加PIC模块求解泊松方程计算电场。针对圆孔注入H原子采用DSMC方法、注入H采用PIC方法、注入H、H采用DSMC/PIC混合算法开展模拟研究,将计算结果进行对比分析,结果表明H原子和H数密度、温度沿轴线方向均逐渐下降。开展非定常带化学反应DSMC并行算法研究。基于MPI通信初步实现了并行计算,在工作站上对并行算法进行测试,测试结果表明串行计算结果和并行计算结果吻合较好,在32节点时加速比达到8,计算效率得到很大提高,但同时也发现并行算法负载均衡性有待进一步优化。

关键词：等离子体羽流 DSMC/PIC混合算法热化学非平衡反应壁面相互作用 DSMC并行算法