激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟

《激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAerOnautiCaetAstrOnauticaSinicaJan252011VOI．32No．127．34lSSN1000．6893CN11—1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：lOOO一6893(2011)01一0027一08激光功率和工质对连续激光推力器性能影响的数值模拟李小康，张育林*，程谋森，鄢昌渝国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073摘要：对连续激光维持的等离子体加热推力器内流场建立一种计算模型．考虑的物理机制包括化学反应、高温气体性质、激光吸收、黏性、扩散、热传导以及辐射效应。模型方

2、程形式为可压缩轴对称Navier-stokes方程，对方程采用sIM—PI．Ec箅法求解。在吸收窜压强、聚焦光束形状参数及喷管构型相同的条件F，模拟了氩为T质的推力器比冲随激光束功率变化和氢为T质的推力器比冲随喷管喉部半径的变化情况。研究结果表明：由于热物理性质不同，氢为T．质的推力器具有更高性能；较小的推力器内部流道可提高t质比焓和加热均匀性，能够获得更大比冲。关键词：连续激光；推进；氩；氢；激光维持等离子体；数值模拟中图分类号：V439；TN249文献标识码：A随着激光技术的进步和微小卫星发射需求的增加，激光推进正日益受到国内外科研人员的关注¨_8]。相对重复脉冲激光推进方式而言，连续波激

3、光推进与现有火箭发动机技术衔接较好，支撑其发展的连续激光器平均功率较高，因此具有自身的优势。连续激光加热推力器T作时，在气流中维持吸收性的驻止等离子体，吸收激光并加热推进剂。推力器的性能参数(如吸收激光的效率和比冲)与吸收区的压力、温度、推进剂流速、推进剂热物性、电化学性质、激光束功率密度、聚焦光束形状参数以及喷管构型等因素都有关。这种推力器的性能优化涉及因素多、关联关系复杂，各国研究者仍在探索【6≈]。Zerkle等[93实验研究了1．O，2．5atm(1atm=101．325kPa)室压时，Ar在2．5，5．O。7kW激光功率下的吸收情况，给出了总体热效率随激光功率升高而下降的结论；Bla

4、ck等¨蜘的实验结果表明，相同室压下激光功率从5500w增大到7560W时，氩T质的比冲仅有很小幅度的提高。Jeng等使用Navier-Stokes方程计算了圆形等截面管道中，1kw以内低激光功率作用下氩的流动[11‘，以及60kW范围内不同功率、不同入口速度下氢的流场Ll引，但没有考虑化学反应和组分方程，而实际过程中电子数密度分布将对激光吸收起决定性作用。MoraIes等n31对低于2kw功率的氩工质连续激光推力器进行的数值模拟，包括了激光光学、逆轫致吸收、化学非平衡模型、辐射、热传导和对流等，所考虑的物理机制比较完善，数值模拟给出的稳定等离子体位置与实验结果吻合，但没有进一步研究各入口参数

5、对推进性能的影响。国内针对连续激光推进的研究中，由于问题本身的复杂性，包含较完整物理机制的T作尚未见报道。郑力铭等[14]以氢气为工质，采用单组分、轴对称、非定常欧拉方程对推力器的内部流场进行了数值模拟，但其中激光吸收系数设定为常值。王海兴等[15]不考虑组分方程，研究了2kw收稿日期：2010-04—26；退修日期：2010-06-30；录用日期：2010—07—22；网络出版时问：2010·”-”09：11网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detai／11．1929．V．20101111．0911．015．htmID0l：CNKI：11·1929／V．20101111．0911

6、．015*通讯作者．Tel．：0731·85144256E-maII=y．I．zh鲫g@263．net戤鬲格武l李小密．张育抹．程谍森．等激光功率和I质对连续激．；{三推力器性能彩响的簸债模拟f∞航空学报。20¨．32(1)：27—34．Lixiaol‘ang．zhangYulin．ehel码Mousen·eta

7、．№m毹ica

8、simu

9、alion幻rtmpactOf

10、8ser。owefa酾orooe

11、

12、antonpemrmanceolconnnuous．wave

13、a∞卜sustalned口}asmaThrusterCJ二．AclaAeronaullcaelAstronantica．2011

14、．32(1)：27-34．航空学报激光功率作用下，非壅塞喷管中氲气10m／s量级的流动，采用实际的逆轫致吸收系数，初步获得了低功率、低速流动情况下的流场特性，并指出合适的初始猜测流场是取得收敛解的关键。本文试图在包含较完整物理机制的基础上，用数值模拟方法考察在加热室压强、聚焦光束形状参数及喷管构型相同的条件下，不同激光功率、不同热物理性质的工质以及推力器内部流道尺寸对推力器性能的影响。首先建立连续