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大气吸气模式激光等离子体推进数值模拟

谢志学  
【摘要】:随着人们开发和利用太空的程度不断加深,同时对于廉价小卫星的发射需求越来越多,传统火箭运载系统由于存在比冲和有效载荷小、费用高、化学污染严重等缺点,世界各国迫切需要研制开发新型运载系统,而作为运载系统核心的推进系统的改进与创新,则成为研发任务的关键性内容。激光等离子体推进技术作为一种备受关注的新型推进技术,具有发射时间短、费用低、可重复利用等特点,因而受到世界各国科研机构的大力追捧。目前,由于激光等离子体推进的复杂性,对于激光等离子体推进在理论和工程应用方面仍没有统一的认识,实验研究费用太高,因此,利用当前先进的理论建立模型,应用数值分析手段进行一系列的模拟研究具有重要意义。 本论文基于计算流体力学理论(CFD),使用有限体积法数值求解欧拉方程,前期采用激光能量瞬时注入模型,并利用点爆炸模型计算等离子体的初始状态参数作为数值模拟的初始条件,采用龙格—库塔法保证时间步长的精度,利用AUSM+格式保证空间精度,对激光支持等离子体的特性进行数值分析,采用完全气体模型和高温平衡气体模型计算了推进器的冲量耦合系数,利用现有的试验结果进行模型的正确性验证。针对单脉冲激光推进模型,分别计算了不同大气状况、不同聚焦位置对冲量耦合系数的影响,并得出一般性规律,对比试验结果进行了验证。针对激光参数和喷管构型的不同,分析了参数变化对推进器冲量耦合系数的影响,分析了推进器内部流场随时间的变化规律,为激光器的选择设计和推进器的设计提供了可行的参考依据。


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