脉冲波形对冲量耦合系数的影响

为了研究TEA CO2激光输出的脉冲波形对激光推进中冲量耦合系数的影响,通过激光技术手段,改变激光混合气体比例及压强,控制激光器脉冲输出波形,将激光的脉冲宽度压缩近50%.在此基础上进行的激光推进冲量耦合系数的实验测量和数值计算结果表明,对于大气呼吸模式TEA CO2激光推进而言,在不影响工质击穿功率密度的情况下,减小脉冲前段起击穿工质作用的尖峰部分占整个脉冲能量的比例,有利于获得高的冲量耦合系数.脉冲宽度大于二维运动的特征时间时,获得的冲量耦合系数也高于脉冲宽度偏小时所获得的冲量耦合系数.     

聚光系统构形对激光推力器推进性能的影响

在喷管与聚光系统一体化设计时,聚光系统因其同时承担聚光和喷管两项功能而成为激光推力器的重要组成部分。通过改变聚光系统内表面的母线方程,可以改变点火区的大小、形状、点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数,而这些参数都会对激光推力器的推进性能产生影响。针对不同的聚光系统构形建立了相应的点火模型,数值计算与实验结果一致,即当注入能量不超过60 J时,在喷管出口直径相同的条件下,抛物形喷管点聚焦方式比环聚焦方式所获得的冲量耦合系数大,可达38.84×10-5N.s/J;而冲量耦合系数对点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数并不十分敏感。研究结果对于吸气式激光推力器的喷管构形设计具有指导意义。     

脉冲能量对激光推进中冲量耦合系数的影响

实验通过采用最大输出脉冲能量为100J的TEACO2激光器,研究了从13~80J的激光脉冲能量对大气呼吸模式激光推进冲量耦合系数的影响。结果表明当脉冲能量在80~24J变化时,冲量耦合系数没有明显变化,当脉冲能量下降至22J以下时,冲量耦合系数下降52%。对这一特性进行了初步的理论分析,并通过改变实验环境气体压强,对这一理论进行了验证。     

激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究

微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。     

大气模式激光推进耦合系数的实验研究

为了研究大气压强对激光推进耦合系数的影响,设计了一座真空仓,利用真空泵系统控制仓内气压从4.6×103Pa到101.3×103Pa之间变化。采用单脉冲能量为20J的TEACO2激光器,对挂有光船模型的冲击摆进行大气模式激光推进耦合系数的测定。实验发现随着真空仓内气压的上升,冲量耦合系数逐渐增大,当气压值达到34.6×103Pa左右时,冲量耦合系数达到最大,随后伴同气压值的增加冲量耦合系数逐步下降。当入射激光单脉冲能量为10J时,冲量耦合系数的峰值处的气压值略有降低。从激光等离子体冲击波的角度对这一现象进行了初步的分析和解释,预测了能量对冲量耦合系数的峰值影响。     

半导体激光烧蚀柔性基底含能工质特性研究

为解决激光烧蚀推力器在微纳卫星推进中的应用问题,本文旨在研究半导体激光对柔性基底含能工质带的烧蚀特性。针对不同工质层厚度的工质带,通过调节优化半导体激光器电流和脉宽等参数开展了激光烧蚀实验,研究了柔性基底含能工质的单脉冲冲量、比冲、冲量耦合系数和烧蚀效率等烧蚀冲量耦合特性,分析了激光器参数和工质层厚度对烧蚀冲量耦合特性的影响,得到了实现更高比冲的烧蚀工作条件。实验结果表明,在相同的激光器电流条件下,冲量随激光器脉宽的增大而增大,比冲随脉宽的增大而减小。在相同的激光器工作条件下,随着工质层厚度增大,工质带烧蚀的比冲增大,340μm厚工质带获得最大比冲在350 s以上,冲量耦合系数达到220μN/W以上。     

纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究

为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1064 nm,脉宽8ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律.实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;A1,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为1.72×1010 W/cm2和2.98×1010 W/cm2时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6％.     

基于热力循环的激光微推力发动机特性研究

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。     

大气呼吸模式激光推进数值分析

详细分析了激光击穿空气和激光维持等离子体爆轰波(LSD)的传播机制,基于Navier-Stokes方程建立了考虑湍流、等离子体辐射的流场分析模型,采用有限体积法系统分析了推进器喷管内等离子体冲击波流场的演变规律,研究了单脉冲激光能量大小和脉宽对推进性能的影响。数值仿真中明显捕捉到有关实验中观察到的马赫杆的产生与移动过程;得出了推力和冲量耦合系数随脉冲能量、脉宽的变化关系,计算结果与德国空间中心实验吻合得较好,为脉冲激光器的选择和脉冲参数优化提供了参考依据。     

脉冲数目和重复频率对纳秒激光推进的影响

以抛物形点聚焦激光推进器模型为研究对象,数值模拟了脉冲重复频率在2~50Hz范围内吸气式多脉冲纳秒激光推进的流场演变过程,分析了脉冲数目和重复频率对推进性能的影响。结果表明:随着脉冲数目的增加,喷管内气体密度减小、温度升高,导致平均冲量耦合系数下降,但纳秒脉冲激光作用获得的平均冲量耦合系数明显高于微秒脉冲激光;相同脉冲数目条件下,随着脉冲重复频率的增大,流场恢复时间缩短,使得流场状态不能及时恢复,导致平均冲量耦合系数下降,其中脉冲重复频率f10 Hz时的下降趋势明显大于f10 Hz。     

长脉冲紫外预电离TE CO2激光器

研制了一台增益体积为1.17 L的长脉冲紫外预电离TE CO2激光器。基于Pulser/sustainer技术,设计了独立可控的双高压开关抽运电路。在激光混合气体比CO2∶N2∶He=1∶2.5∶13,总气压30 kPa时,以6 nF的Pulser电容控制100 nF的Sustainer电容,获得稳定的辉光放电,激光比注入能量达1.607 J/(kPa.L),其中,Pulser能量不到全部注入能量的5%。另外,在保持Sustainer总电容100 nF不变的情况下,设计了两种脉冲宽度略有不同的Sustainer电路,均获得了稳定的辉光放电,实验测量了放电电压、放电电流与输出激光脉冲波形,并分析了Sustainer放电的阻抗特点。激光器采用“Z”形折叠腔结构,输出激光脉冲宽度达20μs,电光转换效率超过12.0%,最大脉冲能量为6.5 J。     

脉冲激光辐照小尺度空间碎片的影响规律

通过建立了激光辐照小尺度空间碎片的物理模型。仿真分析了小尺度碎片的速度增量与激光功率密度的关系,讨论了不同功率密度下激光的有效作用时间以及不同脉宽下激光冲击波的传播波形和到达位置;在此基础上,模拟分析了冲量耦合系数随不同激光脉宽和功率密度的变化规律。结果表明：速度增量随激光功率密度的增加而增加,激光冲击波波形随脉宽增加有明显展宽,且在激光功率密度、脉宽一定条件下短波长可获得更大的冲量耦合系数。     

离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响

为研究激光等离子体冲击波力学效应受入射激光及环境因素的影响,利用波长1．06μm,脉冲能量320 mJ,脉宽10 ns的Nd;YAG激光作用在Al靶上,研究了冲量耦合系数(C_m)和离焦量(Z)之间的关系。实验发现在1．01×10~5 Pa情况下,初始时C_m随Z增大而增大,到Z=-12 mm附近达到最大值;而后C_m随Z增大而减小。在4000 Pa时,C_m随Z的变化关系与1．01×10~5 Pa时相似,但峰值位置后移。离焦量不同时,由于作用激光的功率密度不同而影响等离子体屏蔽效果;光斑大小不同将影响稀疏波作用,且离焦量正负不同时激光等离子体冲击波对靶的作用机制也明显不同,这些因素决定了离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响。     

基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。     

空气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验(Ⅱ)

为了研究大气条件下,正焦移距离对冲量耦合系数的影响,采用能量为15.7(16%)J 的激光脉冲聚焦于铝靶前端,通过改变激光焦点距离靶面的位置,获得了冲量耦合系数与正焦移距离的对应关系。结果表明脉冲激光在与大气环境中的铝靶相互作用时,靶面通过能量转移获得的冲量耦合系数与激光焦点距离靶面的位置呈非单调性变化。焦移距离在从0~20 mm 之间变化时,获得的冲量耦合系数从4.4810-5 Ns/J 连续下降到1.6810-5Ns/J,随着焦移距离的进一步增大,冲量耦合系数在20~35 mm 间呈缓慢上升趋势,在35 mm 处升至2.2110-5 Ns/J 后转而下降,在45 mm 处降至1.9110-5Ns/J。文中采用大气中激光支持爆轰波与固体靶面相互作用的二维模型对上述物理过程进行理论计算,获得了与实验结果较为一致的结论。