吸气模式激光推力器速度与高度耦合特性的数值研究.doc

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1、吸气模式激光推力器速度与高度耦合特性的数值研究曹正蕊1，洪延姬2，文明1，李倩2（1.装备指挥技术学院研究生院，北京101416；2.装备指挥技术学院基础部，北京101416）摘要：使用基于有限体积法和分区结构化网格划分的高分辨率数值方法，计算得到了两种吸气模式激光推力器模型在加速度为10m/s2的发射过程中，其冲量耦合系数随海拔高度的变化规律。不考虑来流速度和空气补充时，高度特性计算结果与实验吻合得很好。结果表明：推力器与空气具有相对速度时，冲量耦合系数整体明显减小，导致激光推进单级入轨发射由吸气模式向

2、火箭模式的切换点由目前预测的20~30km明显下移至10~20km；经过进气道增压处理后，冲量耦合系数大幅度提高，为了增大吸气模式的工作高度范围，进气道设计是必不可少的关键技术之一。关键词：激光推进；吸气模式；冲量耦合系数；速度特性；高度特性；数值模拟中图分类号：V文献标识码：A文章编号：NumericalSimulationofVelocityandAltitudeCharacteristicsforAir-breathingLaserPropulsionCAOZhengrui1,HONGYanji2,

3、WENMing1,LIQian2(1.DepartmentofPostgraduate,theAcademyofEquipmentCommand&Technology,Beijing101416,China2.DepartmentofBasic,theAcademyofEquipmentCommand&Technology,Beijing101416,China)Abstract:Asecondorderaccurateschemebasedonfinitevolumemethodanddomaindec

4、ompositionofstructuralgridisusedtocomputeimpulsecouplingcoefficientsoftwolaserthrusterswithanaccelerationof10m/s2atdifferentaltitudesforair-breathinglaserpropulsion.Thecurvesofimpulsecouplingcoefficientsvs.altitudearefoundtoagreewellwithknownexperimentalr

5、esultswithoutconsideringtheinflowandairrenewing.Resultsshowthatimpulsecouplingcoefficientsareobviouslylowerwhenthelaserthrusterhastheflightspeedsrelativelytoair,whichinducesthattheswitchrangefromair-breathingtorocketmodeinsingle-stage-to-orbitlaserpropuls

6、iondescendsto10~20kmfrom20~30kmforecastedatpresent.Impulsecouplingcoefficientsareimprovedgreatlybyprovidingtherequiredairflowatsomeoperationalflightspeedsthroughinletsystem,anddesignoftheinletsystemisoneoftheabsolutelynecessarykeytechniquesinordertobroade

7、ntheworkingrangeofair-breathingmode.Keywords:laserpropulsion;air-breathingmode;impulsecouplingcoefficient;velocitycharacteristics;altitudecharacteristics;numericalsimulation1引言重复脉冲激光推进的工作模式有吸气模式和火箭模式两种。吸气模式将空气作为工质，而火箭模式需要自身携带工质。大气密度随高度的增加呈指数规律减小，激光推进必须在某一

8、高度进行工作模式的切换，对于吸气模式高度特性的研究具有实际意义。目前高度特性实验是通过调节真空舱内的压力和密度等参数来反应高度的变化，但还无法反应激光推力器速度的变化，因此得出的是不考虑空气补充和来流条件下的静止高度特性[1~3]。实际发射中，激光推力器在穿越大气层的过程中，相对空气是具有速度的，且随高度的变化在不断变化。本文采用数值方法模拟了其速度和高度的变化，得到了激光推力器在具有速度的情况下，其冲量耦合系数在0~31.2