激光烧蚀推进固体靶动态过程的数值模拟研究

强激光辐照下固体靶的动态响应是一个复杂的物理过程，本项课题将运用数值模拟方法对激光烧蚀固体靶并推动固体靶运动的全动态物理过程进行研究，分析其物理过程，建立物理模型（固体靶吸收、气化、电离，等离子体电离度计算、激光等离子体耦合，等离子体屏蔽，等离子体能量耗散等），并考虑固体靶与等离子体流场的流固耦合，采用自行编制计算代码的方式建立基于激光与固体靶和等离子体相互作用（能量耦合）的激光烧蚀固体靶动态过程及其推进效应的数值模拟计算平台，并由此对激光烧蚀推进固体靶的全动态过程，包括等离子体电离过程、激光能量传输规律等进行数值模拟研究。

摘要：强激光辐照下固体靶的动态响应是一个复杂的物理过程，项目组采用理论分析与数值模拟相结合的方法对激光烧蚀固体靶并推动固体靶运动的全动态物理过程进行了研究，分析了激光烧蚀固体靶的动态物理过程，建立了相应的物理模型（包括固体靶吸收、气化、电离，等离子体电离度计算、激光等离子体耦合，等离子体屏蔽等），采用一种平均电离度的简易快速计算方法并由此给出等离子体状态方程，以及具有五阶精度的加权本质无振荡差分格式-WENO建立了烧蚀模式激光推进数值模拟程序，考虑了入射激光与固体靶的相互作用，着重于激光与固体靶面蒸气等离子体的相互作用与能量耦合，用于模拟激光作用于固体靶产生等离子体喷射的全过程，包括固体靶表面吸收激光能量气化、电离产生等离子体，入射激光与靶面等离子体的能量耦合及能量屏蔽，靶面的后续动态烧蚀等，通过自行编制计算代码的方式，建立了基于激光与固体靶和等离子体相互作用（能量耦合）的激光烧蚀固体靶动态过程及其推进效应的数值模拟计算程序。并由此对激光烧蚀推进固体靶的全动态过程进行了系列数值模拟计算：①靶面等离子体流场计算，包括给定初始等离子体团以及靶面动态烧蚀两种情形，给出了脉冲激光作用下等离子体流场各参量（密度、温度、压力、粒子速度和电离度等）随时间的动态变化；②能量耦合规律分析，给出激光能量在等离子体中的动态耦合分布规律；③激光烧蚀推进力学性能计算，数值模拟了不同激光参数条件（激光功率密度、波长、脉冲宽度）以及不同气压环境条件下的推进性能参数（冲量耦合系数、比冲等），给出推进优化的初步分析结果初步揭示了影响激光烧蚀固体靶推进效应的几个关键因素，为进一步深入研究激光推进问题打下了基础。