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