液体介质中激光支持爆轰波形成机理和传播规律研究

Understanding the interaction mechanism of laser and liquid meidum, formation and propagation of laser supported detonation wave in liquid are of considerable importance to establish laser propulsion theory and designing propelling vehicles. In the project, a experiment technique for visualing the structure of laser supported detonation in liquid will be introduced to record the growth and propagation of the detonation wave at high temporary and spatial resolution. The formation mechanism of laser supported detonation wave in liquid will be analyzed, and analytical expessions for the characteristic parameters within detonation front will be given. A two-phase computational model of laser supported detonation wave in liquid cosidering the physical mechanism of laser energy deposition, vaporing process, inoization and electronics reverse bremsstrahlung absorption will be developed to describe the whole process of formation and propagation of laser supported detonation wave in liquid. Through numerical simulation，the propagation rules of laser supported wave in liquid and energy transformation law will be given. The basic theory and calculation methods of laser supported detonation wave in liquid developed in this project will provide the theory foundation for designing the laser propulsion system in liquid.

深入研究激光与液体介质相互作用机理，激光支持爆轰波的形成和传播规律，对于建立液体工质激光推进理论和激光推进器设计具有重要意义。本项目建立液体介质中激光支持爆轰波流场结构的实验观测方法，获得不同液体介质中爆轰波流场演化的物理图像。分析液体介质中激光支持爆轰波形成机理，给出液体介质中激光支持爆轰波特征参数的解析计算方法。建立考虑液体介质激光能量吸收、汽化、电离、爆轰波形成等过程的两相流数值计算模型，实现激光作用液体介质形成爆轰波全过程的数值模拟计算，获得激光能量转化机制及爆轰波传播规律。建立液体介质中激光支持爆轰波的基础理论和计算方法，为液体工质激光推进系统设计提供基本理论依据。

深入研究液体介质中激光诱导等离子体和爆轰波特性，能够为液体工质激光推进系统设计提供基础理论和计算方法。本项目进行了强激光作用水介质产生等离子体和爆轰波实验，建立了以激光为背景光源的高速纹影照相法，观察了不同激光能量下爆轰波流场演化规律。在试验中观察到激光诱导等离子体空泡演化过程产生的多次冲击波现象。采用点爆炸模型，给出了液体介质中激光支持爆轰波特征参数的解析计算方法，计算爆轰波流场演化的波阵面参数。建立了激光作用水等离子体和爆轰波流场计算模型。考虑了水气化、电离、等离子体对激光能量吸收和辐射损失。应用带电离度的等离子体状态方程，实现了激光作用下的等离子体和爆轰波的数值模拟，获得了与实验相符的计算结果。分析了激光能量对水等离子体、爆轰波流场演化的影响规律。结果显示，水中激光支持爆轰波阵面初始形状为椭球形，爆轰波初始速度达上万米，压力达到GPa。爆轰波阵面速度和压力随时间迅速衰减，1us后衰减到声波速度。激光能量主要沉积在等离子体前沿，吸收层厚度约为十几至几十微米。波阵面的初始大小，波阵面参数与激光能量相关。但随着激光能量增加，影响逐渐减小。