CN112084607B - 激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，属于航天技术领域。本发明首先根据推进剂化学组成，计算热容、密度和导热系数与温度相关的表达式；读取已知参数进行循环计算，在每一次循环中，计算退缩速度、烧蚀深度和质量，对烧蚀表面进行坐标变化和二维正交网格划分，计算各网格点的物性参数和分解率；求解考虑分解、烧蚀面退缩、微小尺度传热和等离子体屏蔽效应的导热方程，获得此时间步长各网格点的温度；循环计算获得最终时刻的温度分布、烧蚀深度和质量。相比现有技术，本发明能量化各因素对烧蚀过程的影响，可准确获取聚合物推进剂温度变化情况，预测烧蚀质量和烧蚀深度，进而高效利用推进剂，确保长期任务的进行。

Description

激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法
技术领域
本发明涉及航天技术与等离子体领域，尤其涉及在激光推进系统中，激光烧蚀聚合物材料制作的推进剂的热力学过程数值模拟方法。
背景技术
从2011年开始，微纳卫星的发射数量以每年40％的速度增长，预计这种航天器的需求将持续增长。对于微纳卫星而言，尤其是多颗微纳卫星组成的分布式卫星系统而言，极易受到多种摄动因素的影响，使得轨道编队不稳定，因此微纳卫星应具有良好的位置保持和精确控制能力。同时，为了完成特定的任务，微纳卫星需要具有一定的轨道机动能力。因此，必须结合微纳卫星的特点和任务需求，为微纳卫星配置具有耗能少、质量轻、推力小且可调可控和高比冲特点的微推进技术。
激光推进利用激光加热推进剂，使得推进剂加热后热膨胀产生推力,具有比冲高、有效载荷比大、发射成本低等优点。同时，激光推进可以通过改变激光的强度、脉宽大小和脉冲频率等参数对推力冲量进行精确调节和控制，且具有较广的调节范围。因此，激光推进系统被广泛应用在微纳卫星的推进系统中。
激光推进的推进剂尽管有多种类别，但聚合物材料(如聚甲醛、聚乙烯、聚四氟乙烯等)始终是性能最突出和应用最普遍的推进剂。推进剂作为推力产生的核心来源，烧蚀特性是影响激光推进系统性能的关键因素。高效转化和利用推进剂能够显著提升推进效率、降低电极污染、提升使用寿命，是发展更高性能推进系统必须突破的关键技术。
探究聚合物推进剂激光烧蚀特性是实现能量高效转化和利用的基础，亦是准确模拟推进系统工作过程的前提条件。由于其独特的应用背景，激光推进中的聚合物推进剂烧蚀过程涉及到多个不同物理场耦合。首先，聚合物推进剂被烧蚀中涉及分解、电离、复合、传热和传质等多物理化学过程，过程复杂多样且强烈耦合；其次，推进剂反应空间狭小而激光激励反应时间短，使得聚合物推进剂烧蚀产物的物质和能量输运过程极其剧烈，偏离传统化学与热力学方程；并且，推进剂烧蚀反应环境为太空，不可避免的存在电磁波、等离子体屏蔽和绝热效应等影响。尽管激光加工领域对聚合物材料的激光烧蚀进行了大量研究，但是由于工作环境不同，这些仿真方法并不适用于激光推进中的过程分析，也没有充分考虑上述三个核心因素。同时，虽然工程上针对激光推进系统中的聚合物推进剂烧蚀建立了一些模型，但较普通和片面，并没有充分考虑上述特征，精度低，并不能准确的根据仿真方法预测推进剂的烧蚀量和推进剂的表面烧蚀深度。
因此，本发明构建了一种适用于激光推进系统工作下聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法。利用该模拟方法，可有效克服当前技术中计算精度有限和物理过程分析不够全面的问题，细化聚合物推进剂被烧蚀的动态反应，量化各因素对烧蚀过程的影响，准确获取聚合物推进剂温度变化情况，预测推进剂的烧蚀质量和推进剂的表面烧蚀深度，从而在实际工作中，可以根据推进需求，对激光参数进行更准确的调节，从而高效转化和利用推进剂，确保长期任务的进行。
发明内容
本发明提供一种激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，充分考虑分解、相变、电离、复合、传热和传质等多物理化学过程，并且耦合微小尺度传热效应、真空传热和等离子体屏蔽效应的影响。利用该模拟方法，可有效克服当前技术中计算精度有限和物理过程分析不够全面的问题，细化聚合物推进剂被烧蚀的动态反应，量化各因素对烧蚀过程的影响，准确获取聚合物推进剂温度变化情况，预测推进剂的烧蚀质量和推进剂的表面烧蚀深度，从而在实际工作中，可以根据推进需求，对激光参数进行更准确的调节，从而高效转化和利用推进剂，确保长期任务的进行。
为了实现上述目的，本发明提出了一种激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，包括以下步骤：
(1)给出的具体的某一种聚合物推进剂，根据其化学组成，采用基团贡献法，计算其密度ρ、导热系数ρ和热容c随温度变化的表达式；
(2)读取聚合物推进剂的初始尺寸：包括长L*宽D*厚度T，初始温度T0，读取激光参数：包括激光峰值光强Ipeak,激光峰值光强时刻Tp，激光光束半径r和激光持续时间tt，设定水平方向网格数量NX和竖直方向网格数量NY，时间步长dt，对推进剂进行初始网格划分，获得一系列具有相同横坐标的纵向网格列和具有相同纵坐标的横向网格列；
(3)根据上一个时间步长的推进剂表面温度Ts，计算出此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs；
(4)计算本次时间步长内推进剂表面烧蚀深度Ys和烧蚀质量dm，并记录表面整体烧蚀深度变化情况，并且根据此时的推进剂表面烧蚀深度Ys，对原网格进行坐标变换，从而实现在原网格平面任意不平整的烧蚀表面均能转换为始终存在正交规则网格的新坐标系平面；
(5)根据上一个时间步长各点温度T和此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs，计算此时间步长的各网格处聚合物分解率n；
(6)根据各点的温度T，结合第(1)步骤中获得的热物性参数与温度的关系式，计算各点在此时间步长的密度、导热系数和热容；
(7)根据各点的热物性参数ρ、λ、c，分解率n，表面烧蚀退缩速率Vs,求解推进剂内部考虑分解、烧蚀面退缩、微小尺度传热和等离子体屏蔽效应的导热方程，获得推进剂内部的温度T；
(8)重复步骤3-7，在经历过N个时间步长后，判断模拟时间是否达到激光持续时间，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤3-7；
(9)输出各点的温度分布情况，计算推进剂表面烧蚀深度分布和总烧蚀质量。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，首先针对具体的聚合物推进剂化学组成，采用基团贡献法计算该推进剂的密度、导热系数和热容等热物性参数与温度相关的表达式，再读取推进剂尺寸、激光参数、初始温度和网格数量；随后根据设定的时间步长进行循环计算，在每一次循环中，首先根据烧蚀表面温度计算退缩速度，再根据烧蚀速度计算本次时间步长内的推进剂表面烧蚀深度和烧蚀质量，并且对存在位移变化的烧蚀表面进行坐标变化以实现二维动态正交网格划分，然后根据前一个时间步长的温度和退缩速度求出每一个网格点的分解率和当前温度下的热物性参数，最后根据各网格点的热物性参数，分解率，表面退缩速率,求解推进剂内部考虑分解、烧蚀面退缩、微小尺度传热和等离子体屏蔽效应的导热方程，获得该时间步长各网格点的温度；当循环的总时间步长大于等于激光持续时间时，结束循环计算，输出网格点的温度分布，推进剂表面的面烧蚀深度和总烧蚀质量。相比于其他模拟方法来说，本发明充分考虑了激光推进系统中聚合物被烧蚀涉及的分解、传热和传质等多物理化学过程以及微小尺度传热和等离子体屏蔽效应：将热松弛时间引入到导热方程中，量化微小尺度传热效应，修正传统的导热方程；把等离子体吸收系数和吸收能量引入到热源计算中，具体化等离子体屏蔽效应；将分解率和分解热引入到热源计算中，细化了聚合物推进剂分解过程对传热过程的影响；并且边界条件方程采用绝热传热边界条件，表征了真空中热传导的特性。因此，本发明可有效克服当前技术中计算精度有限和物理过程分析不够全面的问题，细化聚合物推进剂被烧蚀的动态反应，量化各因素对烧蚀过程的影响，准确获取聚合物推进剂温度变化情况，精确预测推进剂的烧蚀质量和推进剂的表面烧蚀深度，从而在实际工作中，可以根据推进需求，对激光参数进行更准确的调节，从而高效转化和利用推进剂，确保长期任务的进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的聚合物推进剂激光烧蚀仿真方法流程图；
图2为动态网格划分的坐标变换图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整描述。
本发明提出激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，参见图1，首先针对具体的聚合物推进剂化学组成，采用基团贡献法计算该推进剂的密度、导热系数和热容等热物性参数与温度相关的表达式，再读取推进剂尺寸、激光参数、初始温度和网格数量，对推进剂进行网格划分；随后根据设定的时间步长进行循环计算，在每一次循环中，首先根据烧蚀表面温度计算退缩速度，再根据烧蚀速度计算本次时间步长内的推进剂表面烧蚀深度和烧蚀质量，并且对存在位移变化的烧蚀表面进行坐标变化以实现二维动态正交网格划分，然后根据前一个时间步长的温度和退缩速度求出每一个网格点的分解率和当前温度下的热物性参数，最后根据各网格点的热物性参数，分解率，表面退缩速率,求解推进剂内部考虑分解、烧蚀面退缩、微小尺度传热和等离子体屏蔽效应的导热方程，获得该时间步长各网格点的温度；当循环的总时间步长大于等于激光持续时间时，结束循环计算，输出网格点的温度分布，推进剂表面烧蚀深度和总烧蚀质量。具体步骤如下：
(1)给出的具体的某一种聚合物推进剂，根据其化学组成，采用基团贡献法，计算其密度ρ、导热系数ρ和热容c随温度变化的表达式；
举例说明，如聚甲醛推进剂，其基本组成基元为-CH2O-，进而可将其划分为-CHO，-CH2O-和-CH3O三种基团组成。根据基团贡献法，查表找出每一种基团对于密度、导热系数和比热的贡献值，根据基团贡献法的函数关系，获得聚甲醛的热物性参数随温度T变化的函数关系：
Figure BDA0002740966030000041
W＝0.38-(T×4.52×10-4) (2)
c＝4.84T (3)
(2)读取聚合物推进剂的初始尺寸：包括长L*宽D*厚度T，初始温度T0，读取激光参数：包括激光峰值光强Ipeak,激光峰值光强时刻Tp，激光光束半径r和激光持续时间tt，设定水平方向网格数量NX和竖直方向网格数量NY，时间步长dt，对推进剂进行初始网格划分，获得一系列具有相同横坐标的纵向网格列和具有相同纵坐标的横向网格列；
根据激光参数，利用式(4)计算随时间变化的聚合物推进剂表面激光光强空间分布：
Figure BDA0002740966030000051
其中，I是随时间和位置变化的聚合物推进剂表面激光光强，Ipeak是激光峰值光强，t为时间，r是激光光束半径，tp是激光峰值光强时刻，x是各点在xoy坐标系的横坐标。
(3)根据上一个时间步长的推进剂表面温度Ts，计算出此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs；
激光垂直辐射推进剂时，表面退缩速度以垂直方向为主，平面扩散方向可忽略不计。因此，烧蚀表面退缩速率Vs与烧蚀表面温度Ts关系满足式(7)，并且由于各点表面温度的不同，各点具有的退缩速率也不同。
Figure BDA0002740966030000052
式中，a是指前速度，Ea是活化能，Rg是通用气体常数，这三个数值与聚合物推进剂种类有关而不随烧蚀过程变化，可查表获得。需要说明的是，烧蚀过程中，烧蚀表面不同位置的温度不同，那么获取的烧蚀退缩速率也不同，每一个速率都是只能用于与此烧蚀表面位置具有相同横坐标的网格点的计算。
(4)计算本次时间步长内推进剂表面烧蚀深度Ys和烧蚀质量dm，并记录烧蚀表面整体变化情况，并且根据此时的推进剂表面烧蚀深度Ys，对原网格进行坐标变换，从而实现在原网格平面任意不平整的烧蚀表面均能转换为始终存在正交规则网格的新坐标系平面；
烧蚀表面的不同位置具有不同的温度，因此每个位置具有不同的烧蚀退缩速度，进而每个位置也具有不同的烧蚀深度。针对每一个烧蚀位置的烧蚀深度Ys和烧蚀质量dm由式(6)(7)计算获得。并且由于各烧蚀位置具有不同的退缩速率，各烧蚀位置的烧蚀深度也不同。
Ys＝∑Vsdt (6)
dm＝ρ0∑Vsdt (7)
式中，ρ0为推进剂初始密度，dt为时间步长。
尽管推进剂烧蚀之初是规则的图形，但是随着烧蚀过程的进行，烧蚀表面将会出现如图2所示的不规则变化，此时采用常规的规则网格并不能够满足后续计算需求。因此本发明引用坐标变化，进行动态网格划分。采用如下坐标变换，从而实现在x0y平面任意不平整的烧蚀表面均可转换为始终存在正交规则网格的ξ0η平面(图2所示)：
ξ＝x (8)
Figure BDA0002740966030000061
式中，Ys是由式(6)计算获得的此时间步长的推进剂表面烧蚀深度，L是推进剂的长度，x和y是推进剂在xoy坐标系的坐标。
采用上述坐标变化，不管烧蚀面怎么变化，都可以采用规则的网格进行计算。
(5)根据上一个时间步长各点温度T和此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs，计算此时间步长的各网格处聚合物分解率n；
各网格处聚合物分解率n、退缩速率Vs和温度T满足关系：
Figure BDA0002740966030000062
nt＝0＝0 (11)
式中，η是各点在ξoη坐标系的横坐标，k0为指前系数。利用有限体积法结合初始边界条件(11)，对于式(10)进行迭代可以求出每一个网格点的分解率。
(6)根据各点的温度T，计算各点在此时间步长的密度、导热系数和热容；
根据步骤(1)中建立的聚合物推进剂热物性参数随温度变化的函数关系，根据每一个网格点在上一个时间步长的温度，计算其在此温度下的密度、导热系数和热容。
(7)根据各点的热物性参数ρ、λ、c，分解率n，表面退缩速率Vs,求解推进剂内部考虑分解、烧蚀面退缩和微小尺度传热效应的导热方程，获得推进剂内部的在该时间步长的温度；
导热方程引入热松弛时间以量化微小尺度的影响，所述的导热方程在动态网格坐标系中表达式为
Figure BDA0002740966030000063
热源S在ξ0η平面下表达式为：
Figure BDA0002740966030000071
边界条件如式(14)-(16)所示，其设置为绝热边界条件，表征了真空传热的特征
Figure BDA0002740966030000072
Figure BDA0002740966030000073
Figure BDA0002740966030000074
式中，S代表任一点热源，η是各点在ξoη坐标系的横坐标，A和B是等离子体吸收系数，α是激光吸收率，β是激光反射率，Lv是聚合物推进剂汽化热，E是等离子体吸收能量，τ0是热松弛时间，Hd表示分解热，k0为指前因子；将热松弛时间引入到导热方程中以量化微小尺度传热效应，修正传统的导热方程；将等离子体吸收系数和吸收能量引入到热源计算中以量化等离子体屏蔽效应；将分解率和分解热引入到热源计算中以细化聚合物推进剂分解过程对传热过程的影响；边界条件方程采用绝热传热以表征真空传热的特性；基于上述式(13)(14)(15)(16)，根据先前划分的网格，采用有限体积法，数值计算即能获得任意一点的温度。
(8)重复步骤3-7，在经历过N个时间步长后，判断模拟时间是否达到激光持续时间，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤3-7；
N个时间步长后，此时的计算时长N*dt是否达到激光持续时间tt，若是，进入步骤9，否则继续循环步骤3-7。
(9)输出各点的温度分布情况，计算推进剂表面烧蚀深度分布和总烧蚀质量。
输出此时激光结束后的温度分布情况，输出烧蚀质量dm和推进剂表面烧蚀深度Ys，由此可以获得给定激光参数下的总烧蚀质量和烧蚀表面的烧蚀深度分布情况。

Claims (7)

1.激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)给出的具体的某一种聚合物推进剂，根据其化学组成，采用基团贡献法，计算其密度ρ、导热系数ρ和热容c随温度变化的表达式；
(2)读取聚合物推进剂的初始尺寸：包括长L*宽D*厚度T，初始温度T0，读取激光参数：包括激光峰值光强Ipeak,激光峰值光强时刻Tp，激光光束半径r和激光持续时间tt，设定水平方向网格数量NX和竖直方向网格数量NY，时间步长dt，对推进剂进行初始网格划分，获得一系列具有相同横坐标的纵向网格列和具有相同纵坐标的横向网格列；
(3)根据上一个时间步长的推进剂表面温度Ts，计算出此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs；
(4)计算本次时间步长内推进剂表面烧蚀深度Ys和烧蚀质量dm，并记录烧蚀表面整体变化情况，并且根据此时的推进剂表面烧蚀深度Ys，对原网格进行坐标变换，从而实现在原网格平面任意不平整的烧蚀表面均能转换为始终存在正交规则网格的新坐标系平面；
(5)根据上一个时间步长各点温度T和此时间步长的推进剂表面烧蚀退缩速率Vs，计算此时间步长的各网格处聚合物分解率n；
(6)根据各点的温度T，结合第(1)步骤中获得的热物性参数与温度的关系式，计算各点在此时间步长的密度、导热系数和热容；
(7)根据各点的热物性参数ρ、λ、c，分解率n，表面烧蚀退缩速率Vs,求解推进剂内部考虑分解、烧蚀面退缩、微小尺度传热和等离子体屏蔽效应的导热方程，获得推进剂内部的温度T；
(8)重复步骤3-7，在经历过N个时间步长后，判断模拟时间是否达到激光持续时间，若是则进入步骤9，否则继续重复步骤3-7；
(9)输出各点的温度分布情况，计算推进剂表面烧蚀深度分布和总烧蚀质量。
2.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据激光参数，利用式(1)计算随时间变化的聚合物推进剂表面激光光强的空间分布：
Figure FDA0002740966020000011
其中，I是随时间和位置变化的聚合物推进剂表面激光光强，Ipeak是激光峰值光强，t为时间，r是激光光束半径，tp是激光峰值光强时刻，x是各点在xoy坐标系的横坐标。
3.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中烧蚀表面退缩速率Vs与烧蚀表面温度Ts关系满足式(2)，并且由于各烧蚀表面位置的温度不同，因此各位置具有的退缩速率也不同，每一个速率都是只能用于与此烧蚀表面位置具有相同横坐标的网格点的计算
Figure FDA0002740966020000021
式中，Vs为烧蚀表面退缩速率，Ea为聚合物活化能，Rg为通用气体常数，a为指前速度。
4.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中烧蚀表面的不同位置具有不同的温度，因此每个位置具有不同的烧蚀退缩速度，进而每个位置也具有不同的烧蚀深度，每一个烧蚀位置的烧蚀深度Ys和烧蚀质量dm由式(3)(4)计算获得，并且由于各烧蚀位置具有不同的退缩速率，各烧蚀位置的烧蚀深度也不同；
Ys＝∑Vsdt (3)
dm＝ρ0∑Vsdt (4)
式中，ρ0为推进剂初始密度，dt为时间步长。
5.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中坐标变换采用如下方式，从而实现在x0y平面任意不平整的烧蚀表面均能转换为始终存在正交规则网格的ξ0η平面：
ξ＝x (5)
Figure FDA0002740966020000022
式中Ys为式(3)计算获得的该时间步长烧蚀深度，L为推进剂长度，Vs为烧蚀表面退缩速率，x和y为x0y平面坐标，ξ和η为ξ0η平面坐标。
6.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)中的各网格处聚合物分解率n由式(7)获得
Figure FDA0002740966020000023
式中，Ea为活化能，η是各点在ξoη坐标系的纵坐标，k0为指前系数，L为推进剂长度，Ys为烧蚀深度，Rg为通用气体常数，T为温度，t为时间，n为分解率。
7.根据权利要求1所述的激光推进系统中聚合物推进剂烧蚀的二维模拟方法，其特征在于，所述步骤(7)中的导热方程引入热松弛时间以量化微小尺度的影响；将等离子体吸收系数和吸收能量引入到热源计算中以量化等离子体屏蔽效应；将分解率和分解热引入到热源计算中以细化聚合物推进剂分解过程对传热过程的影响；边界条件方程采用绝热传热以表征真空传热的特性；
所述的导热方程在动态网格坐标系中表达式为：
Figure FDA0002740966020000031
式中，ρ、c和λ分别为该网格点在当前温度下的密度、热容和导热系数，τ0为热松弛时间，S为热源，η和ξ为ξ0η平面下的坐标，Vs为烧蚀表面退缩速率，L为推进剂长度，Ys为烧蚀深度，t为时间，T为温度；
所述的热源S在ξ0η平面下表达式为：
Figure FDA0002740966020000032
式中，I为聚合物推进剂表面激光光强，A和B是等离子体吸收系数，α是激光吸收率，β是激光反射率，E是等离子体吸收能量，τ0是热松弛时间，Hd表示分解热，k0为指前因子，Rg是通用气体常数，n为分解率；
所述的边界条件如式(10)(11)(12)所示，其设置为绝热边界条件，表征了真空传热的特征；
Figure FDA0002740966020000033
Figure FDA0002740966020000034
Figure FDA0002740966020000035
式中，Lv为汽化热，D为推进剂宽度。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113673127B (zh) * 2021-08-19 2023-10-20 西北核技术研究所 一种复合材料激光烧蚀形貌快速获取方法
CN114121186A (zh) * 2021-11-20 2022-03-01 武昌工学院 金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法
CN115015313B (zh) * 2022-05-16 2024-05-10 中国人民解放军国防科技大学 激光烧蚀Al-PTFE反应材料的烧蚀深度和温度分布预测方法
CN115618171B (zh) * 2022-06-06 2023-10-24 北京理工大学 一种基于同伦算法的推进剂燃烧平衡产物求解方法
CN117612643B (zh) * 2024-01-17 2024-04-26 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种推进剂燃烧过程模拟实验推力性能分析方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110125553B (zh) * 2019-05-28 2020-10-30 中国人民解放军国防科技大学 一种金属材料的瞬态激光烧蚀模拟方法
CN110091072B (zh) * 2019-05-28 2020-10-13 中国人民解放军国防科技大学 一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法
CN110991097B (zh) * 2019-08-06 2023-05-23 电子科技大学 一种激光烧蚀碳纤维靶材温度场的计算方法

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