大气模式激光推进中热，力联合冲击效应的数值模拟.doc

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1、大气模式激光推进中热、力联合冲击效应的数值模拟许仁萍，唐志平，张庆红，张凌(中国科学技术大学中科院材料力学行为和设计重点实验室，力学和机械工程系激光推进实验室，合肥，230026)摘要：采用流固耦合的计算方法，对MYRABO光船的激光推进演示实验中的热力冲击响应进行了数值模拟，分析了实验中存在的三种热源对光船温升的影响。多脉冲计算结果表明，在激光作用不到100个脉冲时，聚焦区域，因为熔化而产生解体，这与文献中的实验结果符合。关键词：激光推进；热力冲击；MYRABO光船；传热NumericalSimulationofThermo-mechanicalShockoftheLightcraftf

2、orLaserPropulsionofAirBreathingModeRenpingXu,ZhipingTang,QinghongZhang,LingZhang(KeyLaboratoryforMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,CAS,LaserPropulsionLaboratory,DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofchina,Hefei230026)AbastractForlightcraftofMYRABO,NumericalSimulationof

3、thermo-mechanicalShockforLaserPropulsioniscarriedoutusingthefluid-solidcouplingmethod:analyzingtheaffectionofthreeheattransfermodeoninterface.Theresultofmulti-pulsefittheexperimentalresults:under100pulses,thecraftwillmelt.keywords：Laserpropulsion,Thermo-dynamicshock,LightcraftbyMYRABO,Heattransfer

4、1．引言激光推进器是一种新概念航天推进器，产生的等离子体温度可达1万K以上，甚至几万K，远高于传统化学火箭的工作温度和所有材料的熔点，而且激光推进器通常以脉冲爆轰方式工作，对推进器结构将产生周期性强冲击，因此其热、力冲击程度远比传统的化学火箭发动机严重。美国Rensselaer工学院的Myrabo教授在新墨西哥州白沙导弹靶场和NASA联合进行的大气模式推进演示实验中，铝合金抛物面模型光船的最大升高不到30米，工作时间不能超过4s，或100脉冲。超过这一极限，光船在空中发生熔化或解体[1]，由此意识到激光推进中的热、力破坏问题。Myrabo演示试验所用的脉冲CO2激光器的平均功率为10KW，

5、500J/脉冲，频率约25Hz。对于将来微小卫星的激光发射入轨，激光器将是兆瓦级以上，推进时间将长达10-20分钟，均比Myrabo实验高出2个量级以上，可以设想热、力冲击的程度将十分严峻。因此热、力冲击破坏问题将是激光推进技术研究中的必须克服的关键问题之一。目前关于激光推进抗热力冲击的研究并不多，只在少数实验报道中提及[1-2]，缺乏对其机理的探讨和较系统的分析。激光推进中的热、力冲击问题涉及强光辐射、高温等离子体流场与推进器结构的热、力流固耦合、以及推进器材料和结构的热、力耦合响应等一系列复杂的物理、力学问题，弄清其机理、规律和主要因素，对于这一关键问题的解决、提出有效防护方法，是十分

6、必要的。本文针对MYRABO光船的热、力联合冲击问题，建立流固耦合的计算方法，固体结构计算中采用热、力耦合的本构计算模型，计算单、多脉冲下光船的响应，试图分析各种热机制对光船热、力破坏的影响。2．计算模型和方法2.1模型图1为MYRABO光船模型示意图，其中ABCD为反射聚焦壁面，也是计算中热流和力的加载面。图2为聚焦区域的放大图，F为焦点位置。Fig1DiagrammaticsketchoftheflightFig2Partialenlargeddrawing2.2计算方法激光推进中热力冲击问题的属于流固耦合问题，作用发生在流、固两相交界面上。本文在计算中采用分区求解、边界耦合的方法[3

7、]：即分别在流体区域和固体区域建立控制方程，将流体区域计算得到的热力时空关系作为固体区域的载荷，进行固体区域的热力冲击计算。具体方法为：1.在商业软件FLUENT中进行流场计算分析，通过编写用户自定义函数（UDF）实时输出飞行器内边界的热力时空关系，。2.将，数据文件经过FORTRAN程序处理，转化成施加在壁面的热流和力的数据文件。3.在ABAQUS计算中采用适合瞬时动态力学行为的显式方法（ABAQUS/Explict）