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高性能、大压缩比化学激光器压力恢复系统研究

作　者: 徐万武
导　师: 王振国
学　校: 中国人民解放军国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 高能化学激光器压力恢复系统超声速扩压器超声速引射器燃气发生器压缩比数值模拟
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

压力恢复系统(PRS)是高能化学激光器的关键技术之一。本文以高性能、大压缩比化学激光器压力恢复系统为研究内容，通过大量的理论分析、数值模拟和实验研究工作，全面深入地开展了PRS系统各个子系统的研究工作，取得了许多重要的成果。首先，介绍了国际上高能化学激光武器及其压力恢复系统的最新研究状况和发展趋势，对高性能、大压缩比PRS系统设计提出了要求。接着，推导了超声速引射器各种一维理论模型，并应用一维理论公式分析、比较了各种超声速引射器的性能及其变化规律，全面探讨了各设计参数对超声速引射器性能的影响，得到了高性能、大压缩比引射器系统应该采用小引射系数、高引射马赫数、燃气引射、优化超声速引射器设计方案的结论。随后，应用计算流体力学方法数值模拟求解了零二次流环型超声速引射器流场和有二次流存在时的超声速引射器流场，探讨了不同工作状态下超声速环型引射器的流场机理，研究了各种设计参数对环型超声速引射器启动特性和引射能力的影响。接着，开展了超声速环型引射器启动特性的实验研究工作，在大量小尺寸引射器空气引射启动实验、全尺寸引射器空气引射启动实验和燃气引射启动实验的基础上，得到了高工况、高引射马赫数下超声速环型引射器启动特性的变化规律，建立了超声速环型引射器启动特性的理论模型，提出了燃气引射条件下超声速引射器启动工况的综合参数；期间，研制出了PRS系统的关键子系统：燃气发生器，得到了点火可靠、燃烧效率高、可多次重复使用、工作稳定可靠、使用方便、耗费低的高性能燃气发生器系统。随后，开展了单级引射PRS系统与DF化学激光器的联试研究工作，通过大量的联试实验，研究了激光器配方、引射器引射能力、联试时序和扩压器方案等等，对扩压器和光腔的启动特性、光腔压强和出光功率的影响，得出了光腔压强过低、单级引射PRS系统无法满足其压缩比要求，需考虑采用两级引射PRS系统的结论。随即在单级引射系统研究成果的基础上开展了两级引射PRS系统的研究工作，首先采用了“亚-超”方案的两级引射系统，在大量的启动实验、与激光器国防科学技术大学研究生院学位论文巴竺巴巴巴二二巴二巴巴巴竺竺竺竺联试实验的基础上，对两级引射系统作了重大改进，设计出了先进的“超一超”方案两级引射PRS系统，该系统与DF化学激光器联试时，激光器的光腔压强和出光功率达到了接真空罐时的水平，高性能、大压缩比压力恢复系统的研究取得了巨大成功。最后，针对单模块PRS系统向多模块PRS系统移植时遇到的多模块扩压器的扩压分流问题，应用数值方法探讨了超声速扩压分流弯曲管道的优化设计问题，得到了较优化的多模块扩压器设计方案。

全文目录

目录  4-9
摘要  9-11
Abstract  11-13
第一章引言  13-37
  1.1 高能化学激光器及其压力恢复系统  13-18
  1.2 压力恢复系统(PRS)  18-34
    1.2.1 化学激光器原理及其工质排放  18-19
    1.2.2 压力恢复系统的组成  19
    1.2.3 超声速引射器  19-26
      1.2.3.1 超声速引射器原理和组成  19-21
      1.2.3.2 超声速引射器分类  21-22
      1.2.3.3 超声速引射器的应用  22-23
      1.2.3.4 PRS系统超声速引射器发展趋势  23-24
      1.2.3.5 PRS系统超声速引射器研究内容  24-26
    1.2.4 超声速扩压器  26-33
      1.2.4.1 超声速扩压器原理  26-28
      1.2.4.2 超声速扩压器“拟激波串”结构  28-29
      1.2.4.3 超声速扩压器启动特性和压力恢复能力  29-31
      1.2.4.4 PRS系统超声速扩压器  31-33
    1.2.5 燃气发生器  33
    1.2.6 化学激光器压力恢复系统研究现状  33-34
  1.3 本论文研究思路和内容  34-37
第二章超声速引射器设计理论与方法  37-70
  2.1 引言  37-38
  2.2 等截面混合超声速引射器一维理论  38-49
    2.2.1 等截面混合超声速引射器一维理论公式的推导  38-43
    2.2.2 等截面混合超声速引射器性能及其影响因素  43-49
  2.3 等压混合超声速引射器一维理论  49-57
    2.3.1 等压混合超声速引射器一维理论公式推导  49-52
    2.3.2 等压混合引射器性能及其影响因素  52-57
  2.4 优化超声速引射器一维理论  57-68
    2.4.1 优化超声速引射器一维理论公式推导  57-62
    2.4.2 优化引射器性能及其影响因素  62-68
  2.5 小结  68-70
第三章超声速引射器流场数值仿真  70-90
  3.1 物理模型和数值方法  70-73
    3.1.1 物理模型  70-72
      3.1.1.1 二维轴对称控制方程  71
      3.1.1.2 湍流模型  71-72
    3.1.2 数值方法  72
    3.1.3 流场特点和计算策略  72-73
  3.2 零二次流超声速引射器流场数值研究  73-82
    3.2.1 零二次流超声速引射器基本流场结构  73-77
    3.2.2 零二次流超声速引射器流场的变化规律  77-82
  3.3 二次流超声速引射器流场数值研究  82-89
    3.3.1 二次流存在时超声速引射器流场  82-87
    3.3.2 提高超声速引射器引射能力的措施  87-89
  3.4 小结  89-90
第四章超声速环型引射器启动特性研究  90-123
  4.1 超声速环型引射器空气引射启动特性研究  90-110
    4.1.1 全尺寸环型引射器空气引射启动实验  91-98
      4.1.1.1 实验装置  91-92
      4.1.1.2 引射参数  92
      4.1.1.3 实验过程  92-93
      4.1.1.4 实验结果  93-98
    4.1.2 小尺寸环型引射器空气引射启动实验  98-107
      4.1.2.1 小尺寸环型引射器实验装置  98-99
      4.1.2.2 引射器参数  99-100
      4.1.2.3 实验过程  100
      4.1.2.4 实验结果  100-107
    4.1.3 环型引射器启动特性理论模型  107-109
    4.1.4 环型引射器空气引射启动实验结论  109-110
  4.2 环型引射器燃气引射启动特性研究  110-120
    4.2.1 燃气发生器方案  110-112
    4.2.2 燃气参数  112
    4.2.3 燃气引射环型引射器启动特性实验  112-120
      4.2.3.1 燃气引射实验装置  112-113
      4.2.3.2 实验结果  113-120
      4.3.3.3 燃气引射启动实验结论  120
  4.3 小结  120-123
第五章单级引射压力恢复系统与DF化学激光器联试实验研究  123-143
  5.1 扩压器和光腔的优化设计  123-128
    5.1.1 引射方案与扩压器设计  123-124
    5.1.2 压力恢复系统扩压器设计  124-126
    5.1.2 激光器和光腔优化设计  126-128
  5.2 PRS与DF化学激光器联试实验  128-142
    5.2.1 实验装置  128-129
    5.2.2 完成的实验工作  129
    5.2.3 实验结果  129-142
      5.2.3.1 测点分布和联试时序  129-130
      5.2.3.2 激光器接真空罐出光实验  130-132
      5.2.3.3 激光器与PRS系统联试实验  132-142
  5.3 小结  142-143
第六章两级引射PRS系统研究  143-162
  6.1 “亚-超”方案两级引射PRS系统研究  144-155
    6.1.1 “亚-超”方案两级引射系统启动特性研究  144-152
      6.1.1.1 两级引射系统参数设计  144
      6.1.1.2 两级引射实验系统及其负压测点分布  144-146
      6.1.1.3 两级引射系统的启动特性  146-152
    6.1.2 “亚-超”两级引射系统与激光器联试实验  152-155
      6.1.2.1 实验系统与测点分布  152-153
      6.1.2.2 实验结果  153-155
  6.2 “超-超”方案两级引射PRS系统研究  155-160
    6.2.1 “超-超”方案两级引射系统启动特性  155-157
      6.2.1.1 负压测点分布  155-156
      6.2.1.2 实验结果  156-157
    6.2.2 “超-超”两级引射PRS系统与DF化学激光器联试  157-160
      6.2.2.1 联试实验系统与引射管道负压测点分布  157
      6.2.2.2 联试实验结果  157-160
      6.2.2.3 结论  160
  6.3 小结  160-162
第七章多模块化学激光器扩压器研究  162-176
  7.1 引言  162-163
  7.2 多模块扩压器数值研究  163-175
    7.2.1 单模块扩压器流场  163-167
    7.2.2 多模块扩压器数值研究  167-175
  7.3 小结  175-176
结论  176-179
致谢  179-180
参考文献  180-183
攻读博士学位期间发表的论文  183

高性能、大压缩比化学激光器压力恢复系统研究

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