飞秒激光等离子体在高超声速飞行器减阻降温中的应用

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1、飞秒激光等离子体在高超声速飞行器减阻降温中的应用Exploringfemtosecondlaserplasmatoreducedragandtemperatureofhypersonicvehicle学科专业：光电子技术研究生：付宁指导教师：张贵忠教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一

2、同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要高超声速飞行器减阻降温已成为航天领域内重要的研究课题，本文主要

3、探索了利用飞秒激光等离子体实现飞行器减阻降温的问题，主要是数值计算和理论分析研究。首先分析了飞秒激光击穿空气产生等离子体、冲击波的演化过程，模拟计算了距离地球表面30km、来流马赫数为5的大气环境中，在飞行器前端注入飞秒激光能量后产生的等离子体冲击波与钝体飞行器头部正激波相互耦合的演化过程，分析了飞秒激光等离子体减阻降温的机理。飞秒激光击穿空气产生高温高压的等离子体，等离子体吸收激光能量向外迅速膨胀的过程中推动周围空气产生冲击波，冲击波与钝体飞行器头部的弓形正激波相互耦合，使弓形激波的结构了发生变化，将其变为较弱的斜激波，从而降

4、低了激波对飞行器表面的压力，减小了飞行器壁面与周围大气的摩擦，使得周围气体向飞行器壁面传递的热量减少，实现了飞行器的减阻降温。然后通过求解Navier-Stokes方程，计算了飞秒激光能量、激光重复频率、激光聚焦位置以及来流马赫数对飞行器减阻降温效果的影响。计算发现，一定范围内注入的飞秒激光能量越高，减阻比和降温比越高，低阻力持续时间越长，实现飞行器减阻降温时所需激光重复频率越小。当在L=100mm处注入激光能量为0.035mJ时减阻比可达93%，激光能量为0.015mJ时降温比可达80%。当激光点火位置L/D=2时，减阻降温效

5、果最佳。减阻比和降温比随来流马赫数的增加先增大后减小然后趋于稳定。最后，本论文提出了一种三激光能量点源沉积的新方式，理论模拟计算发现，此种方式与单激光能量点源沉积方式相比更能减小飞行器表面的阻力和温度，提高了减阻比和降温比，并且对激光能量的需求小，降低了对飞秒激光器的要求，提高了飞秒激光能量的利用率。关键词：飞秒激光等离子体，Navier-Stokes方程，高超声速飞行器,减阻降温ABSTRACTThedragandtemperaturereductionofhypersonicvehiclehasbecomeanimporta

6、ntresearchprojectinthefieldofaerospace,weexplorefemtosecondlaserplasmatoreducedragandtemperatureofhypersonicvehicle,mainlyfocusedonnumericalsimulationandtheoreticalanalysis.Firstly,weanalyzetheevolutionofplasmaandshockwaveinducedbyfemtosecondlaserbreakdowntheair,andt

7、heninvestigatethemechanismofthedragandtemperaturereductionbyfemtosecondlaserplasmabyanalyzingtheinteractionofplasmashockwaveinducedbyinjectingfemtosecondlaserenergyaheadofthebluntbodyvehicleandbowshockovertheheadoftheblunt-bodyvehicleintheflowfieldof30kmapartfromthes

8、urfaceoftheearthatMachnumberof5.Theplasmainhightemperatureandpressureisinducedbyfemtosecondlaser,thentheplasmaabsorbsthelaserenergy