太空化学激光推进中等离子体时空演化特性及能量转化机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11905223
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2907.低温等离子体
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Space laser propulsion can propel the spacecraft to reach the magnitude level of light velocity in short time due to friction-free acceleration under space environment, and thus is expected to achieve the destination for human to explore the universe and interstellar space. As a new technology, current space laser propulsion is still dependent on the interaction between laser and propellant. Meanwhile, several urgent issues, i.e., selecting applicable high-power laser and enhancing the energy conversion efficiency are mainly concerned. In this project, the chemical laser with high output power and good beam quality is used as the energy source of space laser propulsion. Moreover, the energy conversion mechanism is studied. The energy absorption and conversion in the laser propulsion are relevant to plasma characteristics and the induced airflow field, and are influenced by external conditions such as laser wavelength and propellant property. Therefore, the experimental investigation and numerical simulation on the interactions between chemical lasers with various wavelengths and different working mediums are proposed. In the experiment, the spatiotemporal evolution characteristics of plasma and airflow field are measured to determine the absorption mechanism and conversion efficiency of energy. In the simulation, a coupled multi-physics model is developed to reveal the transfer process of energy parameters including the temperature, pressure, momentum and mass, etc. The rationality of the results will be verified by the comparison between experimental diagnostics and model predictions, and then the energy conversion mechanism will be further analyzed. This project is able to provide the necessary theoretical basis and guidance for the establishment and design optimization of high-efficiency space laser propulsion system.
太空激光推进可使飞船在太空中实现无摩擦加速并在短时间内达到光速量级水平,有望满足人类探索宇宙及星际空间的迫切需求。对当前的太空激光推进而言,高性能激光器的选择应用以及提高能量转化效率是亟需解决的问题。基于此,本项目拟采用输出功率大以及光束质量优良的化学激光作为激光光源并展开能量转化机理的研究工作。由于激光推进中能量的吸收转化与等离子体及其流场特性相关,同时受激光波长、工质特性等外界条件的影响,所以本项目将对不同化学激光波长、不同工质特性下等离子体产生及输运过程进行实验和理论模拟研究。主要对等离子体特征参量及流场特性进行时空演化测量,明确能量的吸收机制及转化效率,并结合多物理场数值模拟,揭示复杂物理过程中温度、压力、动量和质量等参数的传递方式。将实验及理论模拟结果相互验证,进一步分析其能量转化机理,为高效太空激光推进体系的研发以及设计优化提供必要的理论依据和指导。

结项摘要

激光推进通过激光与工质的相互作用产生等离子体羽流进行驱动,具有理论比冲大、有效载荷比高、推力动态范围广等优势,有望在飞行器姿态调整、轨道控制及深空探测任务中发挥重要作用。激光推进作为一项新兴技术,明确能量转化机理并提高推进效率是亟需解决的问题。基于此,我们开展了激光与金属及聚合物工质相互作用等离子体及其动力学特性的研究工作,并主要对不同激光能量及气压条件下产生的冲量及耦合系数、等离子体时空演化图像、特征参数、烧蚀形貌和质量进行了诊断测量。实验发现,相同能量下等离子体密度均随气压的增加而升高,但烧蚀深度及质量却逐步减少,这是因为高密度等离子体通过逆韧致吸收机制形成了较强的激光屏蔽效果。此外,大气压下,随着激光能量的增加,等离子体逐步脱离工质表面且持续较短时间,而近真空条件下,等离子体剧烈膨胀并快速淬灭,这些因素导致其产生的冲量及耦合系数较低。中间气压范围内,等离子体持续较长时间并保持与工质作用,进而有效提高了体系的动力学性能。不过,在相同的外部条件下,激光与聚合物工质相互作用产生的等离子体持续时间、电子密度及温度相较于激光与金属工质作用而言更高,这主要是不同的能量吸收机制所导致的。聚合物具有较低的热传导系数和烧蚀阈值,激光与其作用后产生了较大的烧蚀深度及质量,形成了体吸收机制及高能量、高密度等离子体。而金属具有良好的导热性和较高的烧蚀阈值,激光与其作用后产生的烧蚀深度及质量较小,形成了面吸收并导致电离蒸发气体的能量减弱,因此,电子密度及温度相对较低。聚合物较高的电子温度能够增强其电子在传播过程中的激发和电离能力,从而使等离子体持续时间相较于金属进一步延长,并使聚合物工质产生的冲量及耦合系数增加。材料的物化性质和外部条件变化决定了激光能量吸收机制及等离子体特性,进而影响了动力学行为。该项目研究为提高激光推进性能提供了可靠的理论依据。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Oxide-water interaction and wetting property of ceria surfaces tuned by high-temperature thermal aging
高温热老化调节二氧化铈表面的氧化-水相互作用和润湿性能
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2021.149658
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Yanlong Wang;Qin Zhou;Leilei Kang;Liang Yang;Han Wu;Zhiwen Zhou;Chuanhai Xiao;Jianping Guo;Fan Yang;Shaoqian Zhang;Gang Li;Yuqi Jin
  • 通讯作者:
    Yuqi Jin
Experimental study on the dynamics and parameters of nanosecond laser-induced aluminum plasma
纳秒激光诱导铝等离子体动力学及参数实验研究
  • DOI:
    10.1088/1361-6463/ac6a27
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yongfeng Xu;Liang Yang;Dongjian Zhou;Benkang Liu;Qingwei Li;Wenbo Shi;Yuqi Jin
  • 通讯作者:
    Yuqi Jin

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其他文献

基于Spiro-OMeTAD电子阻挡层的量子点发光二极管电荷平衡改善
  • DOI:
    10.3788/aos201939.0523003
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    光学学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    张文静;张芹;杨亮;江莹;常春;金肖;李凤;黄彦;李清华
  • 通讯作者:
    李清华
AM真菌和铅处理对镧胁迫下玉米生长和镧吸收的影响
  • DOI:
    10.11654/jaes.2019-1379
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    郝利君;潘亮;郝百惠;许静;周昕南;杨亮;刁风伟;郭伟
  • 通讯作者:
    郭伟
川东北石笋120~103kaB.P.稳定碳同位素记录与控制机制
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    刘淑华;黄嘉仪;陈琳;杨亮;陈琼;米小建;贺海波;邓肖敏;彭小桃;李汉杰;周厚云
  • 通讯作者:
    周厚云
基于SimRank的跨领域情感倾向性分析算法研究
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    中文信息学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕韶华;林鸿飞;杨亮
  • 通讯作者:
    杨亮
adiation-induced structural evolution in Zr2Cu metallic glass
Zr2Cu 金属玻璃中辐射诱导的结构演化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Materials Science
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    王祎玞;李海洋;杨亮
  • 通讯作者:
    杨亮

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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