激光热推进理论与数值分析

本书探讨利用激光能量产生推力的光热力转换原理，总结作者研究团队在理论分析、数值模拟和实验研究方面的方法与结果，给出了规律性的认识。 全书分为五部分：第一部分主要介绍激光辐照推进剂的气体流动及产生推进效应的模型（第1～3章），第二部分主要介绍呼吸式脉冲激光爆震推进（第4、5章）；第三部分主要介绍火箭式连续激光加热稳态膨胀推力器推进（第6、7章）。第四部分主要介绍火箭式脉冲激光烧蚀推进（第8～11章）。第五部分（附录）主要介绍激光推进卫星发射微小航天器进入低地球轨道的系统工作参数与飞行过程简化分析。 本书可供航空宇航领域优选推进、航天器总体系统和任务设计等方向的研究生与工程设计人员参考，可作为激光热推进理论深化、推力器性能优化、应用系统设计的高阶基础。从事喷气发动机燃烧室的激光点火、含金属颗粒的固体火箭推进剂燃烧模拟、太空碎片的激光清除等方向的研究人员也可从本书获益。

第一部分
第1章 概述
1.1 激光推进的发展背景
1.1.1 激光推进研究的早期岁月
1.1.2 第二波激光推进研究热潮
1.2 典型激光热推进模式简介
1.2.1 脉冲激光辐照气体爆震模式
1.2.2 连续激光辐照流体稳态膨胀模式
1.2.3 脉冲激光辐照固体烧蚀模式
1.3 激光热推进的国内外研究状况综述
1.3.1 吸气式脉冲激光辐照爆震推进研究
1.3.2 连续激光辐照流体稳态膨胀推进研究
1.3.3 脉冲激光辐照固体烧蚀推进研究
参考文献
第2章 激光加热气体反应流动模型
2.1 模型类别与控制方程
2.1.1 流动的平衡与非平衡
2.1.2 流场控制方程组
2.2 能量源项模型
2.2.1 激光吸收
2.2.2 内能弛豫
2.2.3 化学反应
2.2.4 辐射效应
2.3 化学组元模型
2.3.1 有限速率化学反应模型
2.3.2 化学平衡模型
2.4 热力学性质模型
2.4.1 多项式拟合模型
2.4.2 统计热力学模型
参考文献
第3章 激光辐照固体聚合物喷气推进效应计算模型
3.1 固体聚合物烧蚀模型
3.1.1 烧蚀过程能量方程
3.1.2 热解模型及产物性质的计算方法
3.1.3 烧蚀质量散失模型
3.2 烧蚀产物飞散过程模型
3.2.1 控制方程、状态方程及定解条件
3.2.2 产物组分和源项模型
3.2.3 产物与激光相互作用模型
3.3 推进性能参数计算方法
3.4 数值仿真系统
3.4.1 总体架构
3.4.2 子模块介绍
3.4.3 运行流程
3.4.4 算例验证
参考文献
第二部分
第4章 大气中呼吸式脉冲激光爆震推进简化解析分析
4.1 直圆管式脉冲激光爆震推力器的一维解析模型
4.1.1 各阶段的初终时刻和壁面压强
4.1.2 计算结果与讨论
4.2 旋转抛物形脉冲激光爆震推力器性能的简化解析分析
4.2.1 简化解析分析模型
4.2.2 计算结果与讨论
参考文献
第5章 脉冲激光加热气体爆震推进数值模拟与实验验证
5.1 数值计算方法
5.1.1 激光吸收计算的光线追迹法
5.1.2 流场控制方程组离散方法与定解条件
5.2 流场计算及推进性能分析
5.2.1 光强对吸收波特征及效率的影响
5.2.2 脉冲能量对流场结构及推进性能的影响
5.2.3 抛物型面对推力器性能的影响
5.3 单脉冲爆震推进实验系统
5.3.1 脉冲冲量测量原理
5.3.2 实验设备
5.4 推力器单脉冲冲量特性测量
5.5 近地表大气中脉冲激光爆震推力器多脉冲竖直推进实验
5.5.1 推力器上升动力学模型
5.5.2 实验设计与系统构成
5.5.3 实验结果与分析
参考文献
第三部分
第6章 连续激光加热稳态膨胀推力器流量分析与点火实验
6.1 推力器稳定流量分析
6.1.1 分析模型
6.1.2 计算结果与讨论
6.2 实验系统
6.2.1 系统构成和测量原理
6.2.2 实验装置
6.2.3 光路对准
6.3 点火实验结果与分析
参考文献
第7章 连续激光加热稳态膨胀推力器数值模拟
7.1 计算方法
7.2 验证算例
7.3 计算结果与讨论
7.3.1 入射激光功率的影响
7.3.2 激光波长的影响
7.3.3 推进剂和推力器尺寸的影响
参考文献
第四部分
第8章 脉冲激光烧蚀固体聚合物推进性能理论分析
8.1 固体聚合物烧蚀质量解析计算模型
8.1.1 烧蚀过程分层响应模型
8.1.2 单层烧蚀判据
8.1.3 考虑热传导效应的烧蚀阈值修正
8.2 烧蚀产物能量转换及特征速度计算模型
8.3 推进性能参数解析计算模型
8.4 推进性能影响因素分析
8.4.1 激光强度
8.4.2 激光脉宽
8.4.3 密度
8.4.4 吸收系数
8.4.5 热导率
8.4.6 汽化热
参考文献
第9章 单脉冲激光辐照固体聚合物推进机理与性能数值分析
9.1 聚合物烧蚀的主要参数和特征
9.1.1 烧蚀阈值的确定
9.1.2 烧蚀机制的转变及其判别条件
9.1.3 烧蚀温度及烧蚀产物的组分分布
9.2 激光能量面密度对喷气过程和推进性能的影响
9.2.1 对喷气过程的影响
9.2.2 对推进性能的影响
9.3 激光能量时域分布对喷气过程和推进性能的影响
9.3.1 对喷气过程的影响
9.3.2 对烧蚀质量和能量沉积的影响
9.3.3 对推进性能的影响
9.4 推进机理分析
9.4.1 聚合物气化主宰的推进机理
9.4.2 气化与电离共同主宰的推进机理
9.5 推进性能与激光参数的关联关系
参考文献
第10章 双脉冲激光辐照固体聚合物推进效应数值分析
10.1 计算方法
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