(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210642435.0 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 中国人民解 放军国防科技大 学 地址 410073 湖南省长 沙市开福区德雅路 109号 (72)发明人 李宇奇　欧阳　吴建军　张宇　 胡泽君　李健　程玉强　郑鹏　 赵元政　 (74)专利代理 机构 长沙国科天河知识产权代理 有限公司 432 25 专利代理师 邱轶 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 激光-电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模 拟方法及系统 (57)摘要 本发明公开一种激光 ‑电磁复合推力器的金 属推进剂 烧蚀模拟方法及系统， 首先获取金属推 进剂与激光的状态参数， 划分计算域网格。 建立 了考虑相变、 相界面移动、 微尺度效应和羽流屏 蔽效应的金属热传导模型， 求解相应阶段的控制 方程获得金属内部的温度分布， 进而获得当前阶 段相界面的移动速度和位置。 建立了考虑相爆炸 和蒸发效应的金属烧蚀模型， 从而获得金属表面 的烧蚀速率、 烧蚀深度和质量， 并对金属烧蚀面 进行坐标转换， 同时更新此时间步长下温度分布 对应的金属状态参数和热源， 实现激光持续时间 内数值求解的闭环。 本发明量化了多物理因素对 金属烧蚀的影 响， 能够准确预测金属推进剂的烧 蚀特性， 促进高效利用推进剂， 确保推进系统长 期稳定运行。 权利要求书4页 说明书8页 附图1页 CN 114970185 A 2022.08.30 CN 114970185 A 1.一种激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： (1)： 根据推进任务需求设置激光参数， 选定金属推进剂， 获取金属推进剂的状态参数 随温度变化的表达式； (2)： 获取激光能量作为热源项； 获取上一时间步长金属推进剂的温度分布， 求解金属 推进剂的状态参数随温度变化的表达式， 得到当前时间步长金属推进剂的状态参数； 对金 属推进剂的计算 域进行网格划分， 生成二维数值网格； (3)： 根据金属推进剂的状态参数和热源项， 在所述二维数值网格中求解考虑相变、 相 界面移动、 微尺度效应和等离子体屏蔽效应的金属热传导模型， 得到当前时间步长内金属 推进剂的温度分布； (4)判断金属推进剂表面温度 是否满足烧蚀条件， 若满足则进入下一步， 若不满足则直 接转至步骤(7)； (5)： 根据所述金属推进剂的温度分布， 求解考虑相爆炸和蒸发效应的金属烧蚀模型， 获得金属推进剂表面烧蚀退移速率； (6)： 计算当前时间步长内金属推进剂的烧蚀深度和烧蚀质量， 并根据当前金属推进剂 的烧蚀深度， 对二维数值网格进行坐标转换和 正交化处理， 将不规则的金属烧蚀面转化为 均匀的二维正交网格平面； (7)： 判断模拟时间是否达到激光脉宽时间， 若是则 进入步骤(8)， 否则返回步骤(2)； 其 中， 网格划分在所述 二维正交网格平面上进行； (8)： 输出 金属推进剂在激光持续时间内的温度分布、 总烧蚀质量和烧蚀深度。 2.如权利要求1所述的激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在 于， 所述激光参 数包括激光峰值强度Ipeak、 激光峰值强度时刻tp和激光束半径r； 所述状态参 数包括金属推进剂的密度ρ 、 热容cp和导热系数 λ。 3.如权利要求1所述的激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在 于， 对金属推进剂的计算 域进行网格划分， 生成二维数值网格， 包括： 在金属推进剂上， 以激光光束的反方向作为z轴， 水平方向作为x轴， 设定x轴方向上的 网格数量、 z轴方向上的网格数量和时间步长， 对金属推进剂进行网格划分， 得到数值网格。 4.如权利要求1所述的激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在 于， 所述金属热传导模型包括三个阶段， 依次为： 金属推进剂表面温度低于金属熔点的热传 导阶段、 金属推进剂表面温度介于金属熔点与沸点之 间的热传导阶段以及金属推进剂表面 温度高于沸点的传热传质阶段。 5.如权利要求4所述的激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在 于， 在金属推进剂表面温度低于金属熔点的热传导阶段， 金属推进剂处于固体形态， 控制方 程表示为： 热源项S的表达式为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114970185 A 2S＝α(1‑β )Iexp(‑α z') 固态金属层的边界条件设置为： Ts|t＝0＝T0 式中， ρs为固态金属的密度， cp,s为固态金属的比热容， λs为固态金属的导热系数， τ0为 热弛豫时间， Ts为固态金属的温度， α为激光吸收系数， β 为激光反射率， z'为当前点到烧蚀 面的垂直距离， I为随时间变 化的金属推进剂表面激光强度， Ipeak为激光峰值强度， tp为激光 达到峰值强度的时刻， t为时间项， T0为初始温度， z为z轴坐标， Ls‑l为固态‑熔融相界面的z 轴坐标。 6.如权利要求4所述的激光 ‑电磁复合推力器的金属推进剂烧蚀模拟方法， 其特征在 于， 在金属推进剂表面温度介于金属熔点与沸点之间的热传导阶段， 金属推进剂处于固态 和熔融态共 存的状态， 控制方程表示 为： 考虑由相变引起的金属物性 参数和边界条件的变化， 熔融金属层的边界条件设置为： Ts(Ls‑l)＝Tl(Ls‑l)＝Tmelt 根据固态金属与 熔融金属界面层的能量守恒， 固态金属与 熔融金属界面层的移动速度 的表达式为： 式中， ρl为熔融态金属密度， cp,l为熔融态金属的比热容， Tl为熔融态金属温度， λl为熔 融态金属的导热系数， τ0为热弛豫时间， S为热源， t为时间项， λs为固态金属的导热系数， Ts权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114970185 A 3