高速来流环境下吸气式多脉冲纳秒激光推进的机理研究

吸气式激光推进以空气为工质，比冲理论上无穷大，能够极大提高发射的有效载荷比，作为大气层推进段的重要推进模式，一直是激光推进领域的研究热点。然而具有实用价值的高速环境下的吸气式多脉冲激光推进研究仍停留在理论探索与数值模拟阶段，其推进机理还不清晰，高速环境下的推进实验国外于2009年底才尝试开展，国内还未见相关报道，现有理论模拟结论缺乏实验验证。本项目在建立基于过程的激光能量沉积模型的基础上，提出一种更加逼近真实环境的理论模型和数值模拟方案；引入风洞加载高速来流，开展高速环境下的吸气式多脉冲纳秒激光推进实验，创新性采用金属加固的玻璃推进器代替传统的铝合金推进器，以提高推进器激光反射率，降低其被高能激光脉冲直接摧毁的风险。采用数值模拟和实验相结合的研究方法，揭示高速来流环境下吸气式多脉冲纳秒激光推进的机理，掌握推进性能随推进参数的变化规律，加速我国吸气式激光推进技术的应用进程。

本项目瞄准高速环境下的吸气式多脉冲激光推进理论和关键技术，完成了推进理论及仿真模型、推力产生机理、推进性能等方面的研究。以“激光能量—等离子体内能—冲击波内能—推进器动能”的激光能量转换过程为依据，建立了基于过程的激光能量沉积转化模型，分析了吸气式激光推进基本原理，提出了一种更加逼近实验结果的数值模拟方案；仿真研究了来流速度、脉冲重复频率、脉冲激光能量等关键参数对推进性能的影响，理论揭示了吸气式多脉冲纳秒激光推进的机理；实验中创新性设计玻璃材料推进器代替传统的铝合金推进器，显著提高了推进器内表面的光洁度和激光反射率，将直接烧蚀推进器的激光能量降低了2个数量级，提高了推进器承受多脉冲持续冲击的能力，利用千兆瓦纳秒脉冲固体钕玻璃激光器搭建了一套吸气式激光推进实验系统，实验研究了多脉冲激光推进机理及工作性能；为解决高速激光推进中的激波阻力和推进性能恶化两个问题，项目组还进一步拓展研究了激光等离子体减阻技术，提出激光等离子体推进与减阻一体化的思想，为高速环境下激光推进技术发展提供了新的思路。项目研究过程中共发表学术论文21篇，其中SCI检索9篇，EI检索10篇，申报国家发明专利1项。培养40岁以下学科带头人1名、博士研究生1名、硕士研究生1名。本项目的成果对于加速我国吸气式激光推进技术的应用进程具有一定的推动作用，在微卫星发射、卫星姿轨控、清除太空垃圾及军事国防等领域都有广泛的应用前景。