一种激光降低iv型激波干扰热载和波阻的方法
一种激光降低iv型激波干扰热载和波阻的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于主控流动控制领域，是一种用于减小超声速和高超声速飞行器热载和 波阻的装置。
【背景技术】
[0002] 激波干扰在超声速和高超声速飞行中也是一种常见的现象，尤其是斜激波与弓形 激波的IV型干扰，对飞行器性能具有深刻的影响。1968年，Edney根据入射激波与弓形激波 相对位置的差异，确定了 6种不同类型的干扰，其中类型IV产生了超声速喷射，流动在此喷 射中高效地压缩，与前缘相切或相撞，在钝头体表面产生了显著的压载和热载。A. Wieting 的研宄表明存在IV型激波干扰时产生的峰值压力与热流是只有弓形激波时的20-40倍，并 随自由流马赫数和入射攻角的升高、比热比的降低而升高。高的热载给飞行器设计提出了 严峻的考验，并且IV型激波干扰通常是不稳定的，会产生不稳定的热应力，这限制了唇口 的使用寿命。
[0003] 目前国际上针对激光能量沉积控制IV型激波干扰进行了一些数值和实验研宄。 新泽西州立大学的 R. G. Adelgren 等（Adelgren, R.，Yan, H.，Elliott, G.，et al. Localized Flow Control by Laser Energy Deposition Applied to Edney IV Shock Impingement and Intersecting Shocks[C].AIAA, 2003-0031.)进行了通过单脉冲激光击穿空气控制 IV型激波干扰的实验，纹影拍摄了激光能量对IV型激波干扰的影响，测量表明峰值压力 降低30%，证明了将激光用于超声速流动控制的可行性。明尼苏达大学的R.Kandala等 (Kandala R, Candler G V. Numerical Studies of Laser-Induced Energy Deposition for Supersonic Flow Control[J].AIAA Journal. 2004, 42(11):2266_2275.)计算了在马赫 3. 45的流体中，激光能量注入对IV型激波干扰的影响，结果表明激光改变了 IV型激波干 扰结构，在特定时刻压强与热流显著降低，随后恢复至初态。H. Yan等（H. Yan，D. Gaitonde. Control of Edney IV Interaction by Energy Pulse[C]. 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Nevada. AIAA, 2006-0562.)数值计算了激光能量注入对IV型激波干 扰的影响，结果表明能量的注入可以显著改变流场压力和温度分布，有效地降低飞行器表 面的压载和热载。
[0004] 国内外已经进行的激光控制IV型激波干扰工作证明了该方法的可行性，但目前 激光能量注入方式都局限于单脉冲，控制目的是为降低压载和热载，并未将降低波阻考虑 在内。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于激光能量注入的同时降低IV型激波干扰热载和波 阻的方法。本发明首次提出将高重频激光能量击穿来流形成的准静态波与IV型激波干扰 相互作用，并给出了激光参数和注入位置的优化选择方案，降低热载的同时降低波阻。本发 明提出的整形激光束为片光并聚焦的方法，为控制二维平面IV型激波干扰提供了可行技 术途径。本发明可应用于超声速和高超声速飞行器减阻隔热。
[0006] 本发明描述预估IV型激波干扰发生位置及强度，实现方案如下：
[0007] (1)数值模拟飞行器周围流场状态。求解NS方程，根据来流总温确定气体模型为 理想气体或非平衡气体，以飞行器构型为参照构建和划分计算网格，以真实来流状态为依 据确定计算初始条件和来流参数。根据计算结果的温度、压力分布和波系结构，确定IV型 激波干扰是否发生，发生位置以及强度。
[0008] (2)在实验室条件下，根据马赫和雷诺相似准则，设计飞行器缩比模型开展风洞试 验，根据纹影或阴影照片判断IV型激波干扰是否发生以及发生位置。
[0009] 本发明描述整形激光束为片光，实现方案如下：
[0010] (1)利用高反镜反射激光束，使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；
[0011] ⑵利用凹柱面镜将激光束扩束，使圆形激光束变为细长椭圆形；
[0012] (3)利用矩形狭缝限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为IV型激波干扰的覆盖宽 度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量通过狭缝；
[0013] (4)利用凸柱面镜汇聚片光，在流场特定位置聚焦击穿来流。
[0014] 本发明建立了激光片光聚焦击穿超声速或高超声速流场形成准静态波的方法，并 给出了激光参数的优化选择，实现方案如下：
[0015] (1)击穿位置选择方法：IV型激波干扰上游距钝头体表面2至3倍直径处；
[0016] (2)激光输出功率大小选择方法：0. 2至0. 6倍的来流焓值H，H= (2R)2,其中cp为定压比热，R为钝头体半径，P 和分别为自由流密度、 温度和速度；
[0017] (3)激光频率选择方法：根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点 爆炸波合并形成准静态波。
[0018] 本发明给出了激光引致的准静态波用于IV型激波干扰隔热减阻的方法，实现方 案如下：
[0019] (1)准静态波首先与IV型激波干扰中的斜激波相互作用，产生透射激波，透射激 波与弓形激波相互作用，在钝头体表面暂时形成了相对高的压力和热流区域；
[0020] (2)准静态波与弓形激波相互作用，弓形激波发生畸变，脱体距离增大，同时钝头 体表面附近形成膨胀波，产生逆压梯度；
[0021] (3)随着脉冲激光的持续注入和准静态波向下游传播，弓形激波的被影响区域逐 渐扩大，钝头体表面峰值热流和波阻显著下降，最终形成基本稳定的流场结构。
【附图说明】
[0022] 图1为说明本发明的IV型激波干扰波系结构图；
[0023] 图2为实现本发明的片光整形光路图；
[0024] 图3为本发明的激光引致的点爆炸波合并形成准静态波图；
[0025] 图4为本发明的准静态波与IV型激波干扰相互作用图；
[0026] 图5为实现本发明的实验装置布局图。
[0027] 本发明的优势是
[0028] 1)二维激光能量注入方式，便于控制二维流场。IV型激波干扰往往是二维的，采 用片光整形光路将激光能量聚焦为平面二维构型，聚焦击穿之后产生近似二维的准静态 波，便于流动控制。
[0029] 2)能量注入大小、位置和频率可控性强。激光器响应快，可调节性强。通过调节激 光器输出能量模式，可针对不同的来流状态，实现的控制手段的优化。
[0030] 3)隔热减阻一体化。利用准静态波与弓形激波的相互作用，在钝头体表面附近产 生膨胀波，有效降低钝头体表面热载，同时准静态波改变了钝头体的气动外形，弓形激波转 变为类似斜激波的结构，波阻显著降低。
【具体实施方式】
[0031] 现结合附图和实施例对本发明将激光能量 用于降低IV型激波干扰热载和波阻的 方法做进一步详细描述。图1给出了本发明所要控制的IV型激波干扰波系结构图。
[0032] 本发明的实现方案如下：在深入分析了 IV型激波干扰对飞行器性能影响的基础 上，提出了一种基于激光能量注入的隔热减阻方法。本发明分为四个步骤，即确定IV型激 波干扰位置和强度步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和减阻隔热步骤。具体 实施方案如下：
[0033] 步骤一、预估IV型激波干扰发生位置及强度
[0034] 该步骤通过数值计算和风洞试验两种方法完成。控制方程为守恒型非定常可压缩 的 Navier-Stokes 方程：
[0036] 其中Q是守恒量，F、G、H为无粘（对流）通量项，Fv、Gv、H v为粘性（耗散）通量 项，各项具体表达式如下：
[0039] 其中
[0041] ex= UTxx+vTyx+wTzx-qx
[0042] 0 y= uTXy+vTyy+wTzy-qy
[0043] 0 z= utxz+vtyz+wtz-qz
[0044] 在完全气体假定下，气体满足下列状态方程
[0045]p=pRT
[0047] e为比内能，比总能为：
[0049] 以上表达式中，P、（u,V，w)、p、T、e分别表示密度、直角坐标系（X，y, z)的三个速 度分量、压强、温度和单位质量的内能；e、E、丫、y分别表示为单位质量的内能、总能、气体 比热比和粘性系数。如果来流总温高于1000K，则驻点气体可能存在解离，则选用非平衡气 体方程。
[0050] 对于风洞试验，则设计加工飞行器缩比模型和风洞来流参数，设计依据是马赫和 雷诺相似准则，此项工作为成熟技术，不再赘述。
[0051] 步骤二、将激光束整形为片光
[0052] 图2给出了将激光束整形并聚焦的具体方法。先利用高反镜（2)反射激光束（1)， 使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；再利用凹柱面镜（3)将激光束扩束，使圆形激 光束变为细长椭圆形；然后利用矩形狭缝（4)限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为IV型激 波干扰的覆盖宽度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量 通过狭缝；最后利用凸柱面镜（5)汇聚片光，在流场特定位置聚焦形成高激光功率密度沉 积区域（6)，击穿来流。
[0053] 步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波
[0054] 图3给出了多个点爆炸波合并形成准静态波的过程，具体步骤为：
[0055] (1)测量得到钝头体直径D，在IV型激波干扰上游距钝头体表面2D至3D处聚焦 激光能量，击穿来流形成点爆炸波；
[0056](2)定义来流焓值为：H = P"cpT" V" D2,其中cp为自由流定压比热，P"、T"和 分别为自由流密度、温度和速度；激光功率定义为：W = Qf，其中Q为单脉冲激光能量，f 为激光频率，激光输出功率大小选择方法为W = 0. 2H~0. 6H。
[0057] (3)激光频率f的选择是准静态波形成的关键因素。第n个脉冲激光能量击穿来 流形成一个点爆炸波，点爆炸波在膨胀的同时随自由流向下游移动；与此同时，第n+1个脉 冲激光能量击穿自由流也产生点爆炸波，该点爆炸波的面向下游部分移动速度高于第n个 点爆炸波面向上游部分的速度，因此，根据自由流速度和点爆炸波膨胀速度，调整激光频率 f，就可以实现点爆炸波之间的追赶合并，最终形成类似于斜激波的准静态波结构。
[0058] 步骤四、准静态波与IV型激波干扰相互作用，降低热载和波阻
[0059] 图4给出了多个准静态波控制IV型激波干扰减阻隔热的效果图，图5给出了以激 波风洞为例的试验方案，具体步骤为：
[0060] (1)当入射到达激波管（7)低压端面时，压力传感器（8)将触发信号输入数字延迟 信号发生器（9)作为0时刻。当流场稳定时，数字延迟信号发生器（9)触发激光器（10)输 出激光，通过风洞窗口（11)和片光整形光路（12)，在流场指定位置击穿来流。
[0061] (2)超声速或高超声速来流条件由拉法尔喷管（13)确定，IV型激波干扰由斜劈 (14)产生的斜激波和钝头体（15)产生的弓形激波相互作用模拟，试验件安装在真空舱 (16)内，以便于风洞起动。
[0062] (3)控制效果的评估采用纹影测量系统和热流及阻力测量系统实现。闪光源（17) 和高速相机（18)是纹影系统的基本组成部件，二者均由数字延迟信号发生器（9)控制，图 中的虚线代表纹影光路。热流及阻力测量系统（19)将采集到的信号输入计算机（20)存储 和处理。
【主权项】
1. 一种激光降低IV型激波干扰热载和波阻的方法，包含以下步骤： 步骤一、预估IV型激波干扰发生位置及强度 在超声速或高超声速流场中，利用纹影或阴影实验、数值模拟等方法获得飞行器流场 状态，根据斜激波和弓形激波相互作用情况判断IV型激波干扰是否发生、相互作用位置及 强度； 步骤二、将激光束整形为片光 利用光束传输与变换系统，将激光源整形为片光，入射至流场指定位置，该系统主要包 括高反镜、凹柱面镜、矩形狭缝和凸柱面镜等组件，激光由激光器输出后，先后经高反镜反 射、凹柱面镜扩束、矩形狭缝整形及凸柱面镜会聚，形成片光进入待测流场； 步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波 利用柱凸透镜聚焦激光片光，在沿进气道唇口上游延长线与第一道前体斜激波交点 处击穿来流形成点爆炸波结构，激光输出功率大小为0. 2至0. 6倍的来流焓值H，H= P00CpT00V00 (2R)2,其中Cp为定压比热，R为钝头体半径，P"I和V00分别为自由流密度、 温度和速度，对于脉冲式激光器，根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点爆 炸波合并形成准静态波； 步骤四、准静态波与IV型激波干扰相互作用，降低热载和波阻 准静态波与IV型激波干扰结构中的弓形激波相互作用，引起弓形激波变形，脱体距离 增大，IV型激波干扰强度减弱，在钝头体表面附近形成相对低压低温区域，降低热载，准静 态波改变了钝头体气动外形，锥形激波代替了未施加激光能量时的弓形激波，波阻显著降 低。
【专利摘要】本发明利用激光能量加载击穿流场形成准静态波的技术，提供了一种控制IV型激波干扰以降低热载和波阻的方法，该方法包含预估IV型激波干扰位置和强度步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和控制IV型激波干扰隔热减阻步骤。第一步，求解NS方程对流场进行数值模拟，或者根据马赫和雷诺相似准则进行风洞试验，判断流场是否发生IV型激波干扰，干扰位置及强度；第二步，利用多种反射镜和透镜组合，将激光束整形为片光；第三步，优化激光能量注入大小、位置和频率，形成准静态波；第四步，准静态波与IV型激波干扰相互作用，弓形激波发生畸变，钝头体表面附近形成准静态波，实现隔热减阻一体化。
【IPC分类】G02B27/00, G02B27/09
【公开号】CN104898286
【申请号】CN201510299957
【发明人】王殿恺, 洪延姬, 李倩
【申请人】中国人民解放军装备学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月3日
【技术领域】
[0001] 本发明属于主控流动控制领域，是一种用于减小超声速和高超声速飞行器热载和 波阻的装置。
【背景技术】
[0002] 激波干扰在超声速和高超声速飞行中也是一种常见的现象，尤其是斜激波与弓形 激波的IV型干扰，对飞行器性能具有深刻的影响。1968年，Edney根据入射激波与弓形激波 相对位置的差异，确定了 6种不同类型的干扰，其中类型IV产生了超声速喷射，流动在此喷 射中高效地压缩，与前缘相切或相撞，在钝头体表面产生了显著的压载和热载。A. Wieting 的研宄表明存在IV型激波干扰时产生的峰值压力与热流是只有弓形激波时的20-40倍，并 随自由流马赫数和入射攻角的升高、比热比的降低而升高。高的热载给飞行器设计提出了 严峻的考验，并且IV型激波干扰通常是不稳定的，会产生不稳定的热应力，这限制了唇口 的使用寿命。
[0003] 目前国际上针对激光能量沉积控制IV型激波干扰进行了一些数值和实验研宄。 新泽西州立大学的 R. G. Adelgren 等（Adelgren, R.，Yan, H.，Elliott, G.，et al. Localized Flow Control by Laser Energy Deposition Applied to Edney IV Shock Impingement and Intersecting Shocks[C].AIAA, 2003-0031.)进行了通过单脉冲激光击穿空气控制 IV型激波干扰的实验，纹影拍摄了激光能量对IV型激波干扰的影响，测量表明峰值压力 降低30%，证明了将激光用于超声速流动控制的可行性。明尼苏达大学的R.Kandala等 (Kandala R, Candler G V. Numerical Studies of Laser-Induced Energy Deposition for Supersonic Flow Control[J].AIAA Journal. 2004, 42(11):2266_2275.)计算了在马赫 3. 45的流体中，激光能量注入对IV型激波干扰的影响，结果表明激光改变了 IV型激波干 扰结构，在特定时刻压强与热流显著降低，随后恢复至初态。H. Yan等（H. Yan，D. Gaitonde. Control of Edney IV Interaction by Energy Pulse[C]. 44th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Nevada. AIAA, 2006-0562.)数值计算了激光能量注入对IV型激波干 扰的影响，结果表明能量的注入可以显著改变流场压力和温度分布，有效地降低飞行器表 面的压载和热载。
[0004] 国内外已经进行的激光控制IV型激波干扰工作证明了该方法的可行性，但目前 激光能量注入方式都局限于单脉冲，控制目的是为降低压载和热载，并未将降低波阻考虑 在内。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于激光能量注入的同时降低IV型激波干扰热载和波 阻的方法。本发明首次提出将高重频激光能量击穿来流形成的准静态波与IV型激波干扰 相互作用，并给出了激光参数和注入位置的优化选择方案，降低热载的同时降低波阻。本发 明提出的整形激光束为片光并聚焦的方法，为控制二维平面IV型激波干扰提供了可行技 术途径。本发明可应用于超声速和高超声速飞行器减阻隔热。
[0006] 本发明描述预估IV型激波干扰发生位置及强度，实现方案如下：
[0007] (1)数值模拟飞行器周围流场状态。求解NS方程，根据来流总温确定气体模型为 理想气体或非平衡气体，以飞行器构型为参照构建和划分计算网格，以真实来流状态为依 据确定计算初始条件和来流参数。根据计算结果的温度、压力分布和波系结构，确定IV型 激波干扰是否发生，发生位置以及强度。
[0008] (2)在实验室条件下，根据马赫和雷诺相似准则，设计飞行器缩比模型开展风洞试 验，根据纹影或阴影照片判断IV型激波干扰是否发生以及发生位置。
[0009] 本发明描述整形激光束为片光，实现方案如下：
[0010] (1)利用高反镜反射激光束，使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；
[0011] ⑵利用凹柱面镜将激光束扩束，使圆形激光束变为细长椭圆形；
[0012] (3)利用矩形狭缝限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为IV型激波干扰的覆盖宽 度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量通过狭缝；
[0013] (4)利用凸柱面镜汇聚片光，在流场特定位置聚焦击穿来流。
[0014] 本发明建立了激光片光聚焦击穿超声速或高超声速流场形成准静态波的方法，并 给出了激光参数的优化选择，实现方案如下：
[0015] (1)击穿位置选择方法：IV型激波干扰上游距钝头体表面2至3倍直径处；
[0016] (2)激光输出功率大小选择方法：0. 2至0. 6倍的来流焓值H，H= (2R)2,其中cp为定压比热，R为钝头体半径，P 和分别为自由流密度、 温度和速度；
[0017] (3)激光频率选择方法：根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点 爆炸波合并形成准静态波。
[0018] 本发明给出了激光引致的准静态波用于IV型激波干扰隔热减阻的方法，实现方 案如下：
[0019] (1)准静态波首先与IV型激波干扰中的斜激波相互作用，产生透射激波，透射激 波与弓形激波相互作用，在钝头体表面暂时形成了相对高的压力和热流区域；
[0020] (2)准静态波与弓形激波相互作用，弓形激波发生畸变，脱体距离增大，同时钝头 体表面附近形成膨胀波，产生逆压梯度；
[0021] (3)随着脉冲激光的持续注入和准静态波向下游传播，弓形激波的被影响区域逐 渐扩大，钝头体表面峰值热流和波阻显著下降，最终形成基本稳定的流场结构。
【附图说明】
[0022] 图1为说明本发明的IV型激波干扰波系结构图；
[0023] 图2为实现本发明的片光整形光路图；
[0024] 图3为本发明的激光引致的点爆炸波合并形成准静态波图；
[0025] 图4为本发明的准静态波与IV型激波干扰相互作用图；
[0026] 图5为实现本发明的实验装置布局图。
[0027] 本发明的优势是
[0028] 1)二维激光能量注入方式，便于控制二维流场。IV型激波干扰往往是二维的，采 用片光整形光路将激光能量聚焦为平面二维构型，聚焦击穿之后产生近似二维的准静态 波，便于流动控制。
[0029] 2)能量注入大小、位置和频率可控性强。激光器响应快，可调节性强。通过调节激 光器输出能量模式，可针对不同的来流状态，实现的控制手段的优化。
[0030] 3)隔热减阻一体化。利用准静态波与弓形激波的相互作用，在钝头体表面附近产 生膨胀波，有效降低钝头体表面热载，同时准静态波改变了钝头体的气动外形，弓形激波转 变为类似斜激波的结构，波阻显著降低。
【具体实施方式】
[0031] 现结合附图和实施例对本发明将激光能量 用于降低IV型激波干扰热载和波阻的 方法做进一步详细描述。图1给出了本发明所要控制的IV型激波干扰波系结构图。
[0032] 本发明的实现方案如下：在深入分析了 IV型激波干扰对飞行器性能影响的基础 上，提出了一种基于激光能量注入的隔热减阻方法。本发明分为四个步骤，即确定IV型激 波干扰位置和强度步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和减阻隔热步骤。具体 实施方案如下：
[0033] 步骤一、预估IV型激波干扰发生位置及强度
[0034] 该步骤通过数值计算和风洞试验两种方法完成。控制方程为守恒型非定常可压缩 的 Navier-Stokes 方程：
[0036] 其中Q是守恒量，F、G、H为无粘（对流）通量项，Fv、Gv、H v为粘性（耗散）通量 项，各项具体表达式如下：
[0039] 其中
[0041] ex= UTxx+vTyx+wTzx-qx
[0042] 0 y= uTXy+vTyy+wTzy-qy
[0043] 0 z= utxz+vtyz+wtz-qz
[0044] 在完全气体假定下，气体满足下列状态方程
[0045]p=pRT
[0047] e为比内能，比总能为：
[0049] 以上表达式中，P、（u,V，w)、p、T、e分别表示密度、直角坐标系（X，y, z)的三个速 度分量、压强、温度和单位质量的内能；e、E、丫、y分别表示为单位质量的内能、总能、气体 比热比和粘性系数。如果来流总温高于1000K，则驻点气体可能存在解离，则选用非平衡气 体方程。
[0050] 对于风洞试验，则设计加工飞行器缩比模型和风洞来流参数，设计依据是马赫和 雷诺相似准则，此项工作为成熟技术，不再赘述。
[0051] 步骤二、将激光束整形为片光
[0052] 图2给出了将激光束整形并聚焦的具体方法。先利用高反镜（2)反射激光束（1)， 使光束中心通过预定的激光能量沉积位置；再利用凹柱面镜（3)将激光束扩束，使圆形激 光束变为细长椭圆形；然后利用矩形狭缝（4)限制椭圆形激光束，狭缝长度设置为IV型激 波干扰的覆盖宽度，在确定狭缝长度之后确定狭缝宽度，其指标为保证尽量多的激光能量 通过狭缝；最后利用凸柱面镜（5)汇聚片光，在流场特定位置聚焦形成高激光功率密度沉 积区域（6)，击穿来流。
[0053] 步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波
[0054] 图3给出了多个点爆炸波合并形成准静态波的过程，具体步骤为：
[0055] (1)测量得到钝头体直径D，在IV型激波干扰上游距钝头体表面2D至3D处聚焦 激光能量，击穿来流形成点爆炸波；
[0056](2)定义来流焓值为：H = P"cpT" V" D2,其中cp为自由流定压比热，P"、T"和 分别为自由流密度、温度和速度；激光功率定义为：W = Qf，其中Q为单脉冲激光能量，f 为激光频率，激光输出功率大小选择方法为W = 0. 2H~0. 6H。
[0057] (3)激光频率f的选择是准静态波形成的关键因素。第n个脉冲激光能量击穿来 流形成一个点爆炸波，点爆炸波在膨胀的同时随自由流向下游移动；与此同时，第n+1个脉 冲激光能量击穿自由流也产生点爆炸波，该点爆炸波的面向下游部分移动速度高于第n个 点爆炸波面向上游部分的速度，因此，根据自由流速度和点爆炸波膨胀速度，调整激光频率 f，就可以实现点爆炸波之间的追赶合并，最终形成类似于斜激波的准静态波结构。
[0058] 步骤四、准静态波与IV型激波干扰相互作用，降低热载和波阻
[0059] 图4给出了多个准静态波控制IV型激波干扰减阻隔热的效果图，图5给出了以激 波风洞为例的试验方案，具体步骤为：
[0060] (1)当入射到达激波管（7)低压端面时，压力传感器（8)将触发信号输入数字延迟 信号发生器（9)作为0时刻。当流场稳定时，数字延迟信号发生器（9)触发激光器（10)输 出激光，通过风洞窗口（11)和片光整形光路（12)，在流场指定位置击穿来流。
[0061] (2)超声速或高超声速来流条件由拉法尔喷管（13)确定，IV型激波干扰由斜劈 (14)产生的斜激波和钝头体（15)产生的弓形激波相互作用模拟，试验件安装在真空舱 (16)内，以便于风洞起动。
[0062] (3)控制效果的评估采用纹影测量系统和热流及阻力测量系统实现。闪光源（17) 和高速相机（18)是纹影系统的基本组成部件，二者均由数字延迟信号发生器（9)控制，图 中的虚线代表纹影光路。热流及阻力测量系统（19)将采集到的信号输入计算机（20)存储 和处理。
【主权项】
1. 一种激光降低IV型激波干扰热载和波阻的方法，包含以下步骤： 步骤一、预估IV型激波干扰发生位置及强度 在超声速或高超声速流场中，利用纹影或阴影实验、数值模拟等方法获得飞行器流场 状态，根据斜激波和弓形激波相互作用情况判断IV型激波干扰是否发生、相互作用位置及 强度； 步骤二、将激光束整形为片光 利用光束传输与变换系统，将激光源整形为片光，入射至流场指定位置，该系统主要包 括高反镜、凹柱面镜、矩形狭缝和凸柱面镜等组件，激光由激光器输出后，先后经高反镜反 射、凹柱面镜扩束、矩形狭缝整形及凸柱面镜会聚，形成片光进入待测流场； 步骤三、将片光聚焦击穿来流，形成准静态波 利用柱凸透镜聚焦激光片光，在沿进气道唇口上游延长线与第一道前体斜激波交点 处击穿来流形成点爆炸波结构，激光输出功率大小为0. 2至0. 6倍的来流焓值H，H= P00CpT00V00 (2R)2,其中Cp为定压比热，R为钝头体半径，P"I和V00分别为自由流密度、 温度和速度，对于脉冲式激光器，根据来流速度选择激光频率，使得单脉冲激光引致的点爆 炸波合并形成准静态波； 步骤四、准静态波与IV型激波干扰相互作用，降低热载和波阻 准静态波与IV型激波干扰结构中的弓形激波相互作用，引起弓形激波变形，脱体距离 增大，IV型激波干扰强度减弱，在钝头体表面附近形成相对低压低温区域，降低热载，准静 态波改变了钝头体气动外形，锥形激波代替了未施加激光能量时的弓形激波，波阻显著降 低。
【专利摘要】本发明利用激光能量加载击穿流场形成准静态波的技术，提供了一种控制IV型激波干扰以降低热载和波阻的方法，该方法包含预估IV型激波干扰位置和强度步骤、激光束整形为片光步骤、准静态波形成步骤和控制IV型激波干扰隔热减阻步骤。第一步，求解NS方程对流场进行数值模拟，或者根据马赫和雷诺相似准则进行风洞试验，判断流场是否发生IV型激波干扰，干扰位置及强度；第二步，利用多种反射镜和透镜组合，将激光束整形为片光；第三步，优化激光能量注入大小、位置和频率，形成准静态波；第四步，准静态波与IV型激波干扰相互作用，弓形激波发生畸变，钝头体表面附近形成准静态波，实现隔热减阻一体化。
【IPC分类】G02B27/00, G02B27/09
【公开号】CN104898286
【申请号】CN201510299957
【发明人】王殿恺, 洪延姬, 李倩
【申请人】中国人民解放军装备学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月3日
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