激光光船周围连续稀薄混合流场的数值模拟.doc

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1、激光光船周围连续/稀薄混合流场的数值模拟徐珊姝1，吴子牛1，李倩2，洪延姬2（1.清华大学航天航空学院,北京100084；2.装备指挥技术学院推进技术研究中心，北京101416）摘要：当火箭模式激光推进器在高空稀薄大气中飞行时，需要在激光聚焦区附近喷射稠密气体工质，从而利用激光聚焦击穿气体工质形成等离子体，为光船提供推力。那么该激光光船周围将存在着高温连续气体和稀薄环境大气耦合的非定常混合流场。本文采用CFD/DSMC混合方法对这种高温连续/稀薄混合流场进行了数值模拟。关键词：激光推进；稀薄效应；火箭模式中图分类号：文献标识码：

2、文章编号：Numericalsimulationofcontinuum/rarefiedflowaroundlaserlightcraftXuShan-shu1,WuZi-niu1,LiQian2,HongYan-ji2(1.SchoolofAerospace,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.PropulsionTechnologyResearchCenter,theAcademyofEquipmentCommandandTechnology,Beijing101416,Chin

3、a)Abstract:Forarocketmodelaserthrusterflyingathigheraltitudewithrarefiedatmosphere,adensegasisinjectedintothefocusedregiontogeneratehightemperatureplasmabylaserbeamfocusinginordertopropelthelightcraft.Aroundthelaserlightcraft,theunsteadyhightemperaturecontinuumflowis

4、coupledwiththerarefiedambient.AhybridCFD/DSMCmethodisusedtosimulatethecontinuum/rarefiedmixedflowfield.Keywords：laserpropulsion,rarefaction,rocketmode1引言1972年Kantrowitz[1]首次提出利用地面高能量激光器将重物送入轨道的激光推进概念。Myrabo和Ing[2]把利用激光能量产生推力的特殊飞行器称为“光船”。由于激光推进具有简单、可靠、环保和高比冲的特点[3]，因此引

5、起了国内外许多学者对激光光船的研究兴趣。通常来说，光船由钝头锥形前体、环形整流罩和抛物形后体组成，如图1。抛物形后体起到气动喷管和光学接受器的作用，它将地面激光器发射的激光束反射到环形聚焦区内，当能量达到一定值时击穿空气或者工质，形成高温高压的等离子体，再由等离子体膨胀产生的激波与后体碰撞产生推力。根据光船是否需要携带工质供激光聚焦点火，可以分为火箭模式和大气吸气模式。1998年美国Myrabo小组[4]首次利用10KW的脉冲激光器将50g的轴对称大气吸气模式光船推进到垂直距离4.3m。2000年他们[5]将51g的火箭模式光船

6、推进到71m高度。下一步的光船发展计划是利用100MW的激光器将千克量级的微型卫星送入近地轨道。预计在大约30km高度和马赫数5的条件下，将大气吸气模式的激光推进器转变为火箭工作模式[6]。在数值模拟方面，前人除了对激光聚焦区附近的等离子体特性进行研究外，也采用计算流体力学方法（CFD）对光船的内外流场进行数值模拟。例如，Wang等人[7]将等离子体计算模型引入连续输运方程组中，预测了低空低速飞行的实验光船（入口封闭）内的光学击穿和爆轰波演化过程。Katsurayama等人[8]利用轴对称柱坐标下的Navier-Stockes方

7、程模拟了飞行高度20km和马赫数5的大气吸气模式光船中的压力波传播过程。国内关于激光推进技术方面的研究起步较晚。2002年以来，装备指挥技术学院激光技术实验室[9][10]利用光线追踪法对抛物形点聚焦激光推力器的聚焦性能进行了研究，也利用CFD方法对环聚焦轴对称激光推进器的内外流场进行了数值模拟。2005年中国科技大学的唐志平[11]等人利用3KW的TEA-CO2脉冲激光器进行了抛物形点聚焦大气吸气模式飞行器的水平和垂直激光推进实验，飞行高度超过1m。另外北京航空航天大学[12]和清华大学[13]也都在进行激光推进方面的研究。据

8、我们所知，国内外还没有关于激光光船在高空稀薄大气条件下飞行的研究工作。当光船飞行高度超过70km时，出现两个新的问题：1）需要采用稀薄气体模型对光船周围的稀薄流场进行模拟；2）由于环境大气十分稀薄不能满足光学击穿的条件，所以需要采用火箭模式代替低空飞行时采用的大