来流情况对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响.doc

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1、来流情况对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响李倩，洪延姬，文明，曹正蕊，崔村燕（装备指挥技术学院，北京101416）摘要：针对大气吸气模式激光推进的原理，采用二阶精度的Roe格式，在气体模型为完全气体时，分别对无来流以及来流马赫数为2.5和5的条件下，环聚焦激光推力器内外流场的演化过程进行了数值模拟。结果表明，无来流、来流马赫数为2.5和5时的冲量耦合系数分别为2.42´10-4N×s/J、1.00´10-4N×s/J和1.13´10-4N×s/J，可见无来流时激光推力器的冲量耦合系数高于同工况下有来流的情况，但来流马赫数为5时由于激波不会传播到推力器前体而产生负推力，因此冲量耦合系数

2、较马赫数为2.5时高。研究结果可为激光推力器的构形设计以及实验模拟高空环境下推力器的飞行情况提供一定的理论指导。关键词：激光推进；大气吸气模式；冲量耦合系数；数值模拟；马赫数中图分类号：O381文献标志码：A文章编号：Effectofinflowonimpulsecouplingcoefficientofair-breathinglightcraftLIQian,HONGYan-ji,WENMing,CAOZheng-rui,CUICun-yan(AcademyofEquipmentCommand&Technology,Beijing101416,China)Abstract:Aime

3、datthemechanismofair-breathinglaserpropulsion,withtheRoeschemeof2nd-orderaccuracyandperfectgasmodeladopted,theevolutiveprocessofinnerandouterfluidfieldofcircularfocusinglaserlightcraftissimulatednumericallywhenthere’snoinflow,inflowmachnumberis2.5and5.Theresultsindicatethattheimpulsecouplingcoef

4、ficientsare2.42´10-4N×s/J,1.00´10-4N×s/Jand1.13´10-4N×s/Jseparatelyundertheabovethreeconditions.Itisobviousthattheimpulsecouplingcoefficientundertheconditionthatthere’snoinflowishigherthantheoneundertheconditionwheninflowexits.However,whentheinflowmachnumberis5,sinceshockwavecan’tpropagatetothef

5、rontbodyoflightcraftandnegativethrustcan’tcomeintobeing,theimpulsecouplingcoefficientishigherthanthatof2.5machnumber.Theresultsmayprovidesometheoreticalguidanceforconfigurationdesignoflaserlightcraftandexperimentsoflightcraftflightathighattitude.Keywords:laserpropulsion;air-breathingmode;impulse

6、couplingcoefficient;numericalsimulation;machnumber1引言激光推进是一种新型的航天推进技术，按其工作方式可分为大气吸气模式和火箭模式两种。上世纪70年代起，国际学术届就对此项技术进行了大量研究，目前国内的研究工作也在蓬勃发展[1,2]。其中，激波在吸气式激光推力器内流场中的传播一直是激光推进领域中十分受人关注的问题，针对其机理性研究国内外已经有一些工作[3~5]。然而，针对有来流情况下的激光推力器内外流场的演化过程进行的数值计算目前报道得很少。本文针对大气吸气模式激光推进的原理，对激光推力器在无来流以及来流马赫数分别为2.5和5的条件下的

7、内外流场演化过程进行了详细的数值模拟，并得出了一些对实验工作具有参考价值的结论。2计算模型2.1控制方程不考虑质量力，可压缩理想气体的运动可用如下守恒形式的Euler方程描述[6]：其中，称为守恒变量。，，称为通量函数。在以上表达式中，r、u、v、w、p分别代表密度，速度三个方向的分量和压力。E为比总能，定义为其中e为比内能。本文使用了完全气体状态方程，这时压力与比内能的关系可通过状态方程建立，其中g为比热比。2.2数值计算方法采用有限体积法进