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激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的反作用力推动飞行器前进的新概念推进技术。激光发动机或激光推力器是激光推进中的关键部件之一,目前尚处于概念设计和实验室研究阶段。激光推进器的基本功能是接收激光能量并转换成推力,主要由两大部分组成:光学部分和推力器部分,前者包括激光接收、聚焦系统,后者由推力室、喷管和工质供给等系统组成。本文从力学的角度对推力器的设计、发射入轨、结构数值模拟等方面进行了探讨,得到一些有益的结果。
提出了全方位接收激光推力器,该激光推力器光学系统和推进系统完全分离。针对该推力器特点,提出了平面入轨和螺旋入轨,利用理论力学公式进行了入轨轨道分析,通过数值计算结果显示:相同情况下螺旋式入轨能大大降低激光在大气中传输的能量损失和激光远距离的光束发散问题,具有较好的应用前景。
利用大型有限元软件FLUENT对不同的推力器进行了数值模拟及速度场分析,得到冲量耦合系数。模拟结果显示,锥头、扩张喷管的推力器具有较大的冲量耦合系数,而随着能量的增加,能量耦合系数也随之提高。对扩张喷管推力器和收缩喷管推力器模型在大能量下进行了速度场分析,获得在高压气团在推力器喷管出口的马赫数以及流场,得到能量对推进器喷管的设计起着重要的影响。
采用实验室YAG激光器,对不同类型喷管不同点火位置进行了实验研究,实验结果显示球形推力器模型和锥头推力器模型都具有较大的冲量耦合系数。这和计算结果较吻合。