针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象, 运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性, 获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明: 在正激波的冲击下, 热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势, 入射激光能量越高, 热核在激波冲击下的宽度越大; 热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长, 增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据, 相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台, 利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明: 激光等离子体热核界面变形, 弯曲并最终形成双涡环结构, 展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右, 流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长, 从微观层面进一步揭示了激光减阻机理, 对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。

针对纳秒脉冲激光能量在空气中沉积的等离子体热核演化问题, 利用两种不同分辨率的高速相机, 搭建了高分辨率的纹影系统。所获得的纹影实验结果很好地展示了激光能量沉积初始时刻的演化过程, 并研究了激光能量大小和透镜焦距这两个关键参数对激光引致等离子体热核演化过程的影响规律。实验结果表明激光沉积能量越大, 等离子体热核的尺寸越大, 但是可能存在激光能量沉积的饱和现象。另外, 激光能量越高、透镜的焦距越短, 激光能量沉积之后环境冷空气穿透热核的时间就越晚, 意味着等离子体热核维持稳定的高温低密度气团的时间越长, 这可以为激光致等离子体主动流动控制的相关研究提供充足的反应时间。

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数.激光功率为15 kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近.脉冲重复频率为100 kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500 ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200 kHz和100 kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗.

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15 kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰, 有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法, 在来流马赫数为3.45的条件下, 计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明: 单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50～60 μs), 钝头体表面压力突然升高, 随后压力有一个较为明显的下降过程, 然后恢复原状态; 当注入的连续激光能量较小时, 钝头体表面压力略微增大, 随着注入能量增大, 钝头体表面压力峰值减小; 在注入能量到一定程度时, 钝头体表面压力峰值减小已不明显。

针对来流马赫数低于设计值时，吸气式冲压发动机进气道进气捕获率降低的问题，在唇口上游沉积高重频激光能量使气流偏折以提高进气捕获率。在马赫数为5.0、静压和静温分别为2 551.6 Pa和116.7 K的条件下，通过求解二维非定常可压缩RANS方程，数值研究了高重频激光能量注入提高进气捕获率的作用机制，通过在预想最优能量沉积点附近寻优的方法确定了最佳的能量注入点，结果表明: 在该位置沉积频率100 kHz、平均功率500 W的激光能量形成的虚拟唇口可以使来流捕获率由63％提高至97％。结果证明了高重频激光能量注入提高进气捕获率的潜在应用价值，并为能量注入位置的优化选择提供了方法。

以微小卫星姿轨控为任务的激光微推力器是近些年激光推进技术应用研究的热点。在激光微推力发动机热力循环分析的基础上，研究影响激光微推进热力循环效率的因素，提出了通过改变激光功率密度和靶材掺杂特性来同时提高比冲和冲量耦合系数的方法，实验验证了激光功率密度和靶材掺杂对发动机性能影响的规律。结果表明，激光与靶材的特性共同决定了热力循环效率的高低，激光功率密度的提高能够增加产生激波波后的压力，一定程度上提高比冲，却会使冲量耦合系数下降；掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收，使比冲和冲量耦合系数都提高，而两者都能够一定程度上提高激光微推力发动机的热力循环效率。

介绍了激光微推进技术的靶特性研究情况，探讨了激光微推进技术中的靶特性对力学性能的影响。从靶材结构和靶材掺杂两个方面的特性进行了研究。结果表明，在约束条件下，冲量耦合系数存在一个最优值，烧蚀靶厚度越小，最优冲量耦合系数越大，对应的激光注入能量越小，比冲也越高；掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收，使得单位质量产生推力的效率提高，同时也会增强其他能量耗散机制，使得冲量耦合系数降低。