激光引爆起爆药的机理及其爆轰流场的干涉法研究

本文从实验上研究小型脉冲YAG激光引爆或引燃起爆药的可能性;在理论上,从激光热引爆的机理简述了激光引燃或引爆的判据。并采用大口径长程FP型干涉仪,外调制序列脉冲激光源和高速记录装置,获得了起爆药爆轰流场和燃烧温度场的时间序列干涉图,定量计算了爆轰冲击波的传播速度。     

纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.      

基于激光干涉测量的液体高脉冲压力校准

针对压电式高压传感器等的幅值灵敏度脉冲压力校准中的量值溯源问题,将一种基于牛顿第二定律的液体脉冲压力激光干涉测量方法用于落锤式液体高脉冲压力校准装置。通过质量块的动力学建模以及激光干涉测量质量块的加速度,得到脉冲压力幅值大小,使脉冲压力幅值能溯源到时间、长度与质量等基本量。通过对压力和加速度分布不均、摩擦力等影响进行理论与实验分析,压电式压力传感器幅值灵敏度校准不确定度得到了完整评估。激光干涉法液体脉冲压力校准装置压力幅值覆盖（10~500）MPa,扩展不确定度在1.8%以内。     

脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到 30ns,空间分辨率达到 1mm;搭建快速~PIV 实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到 500ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50$\mu$s 后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.      

脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到30 ns,空间分辨率达到1 mm;搭建快速PIV实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到500 ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50μs后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.     

用于研究双波迎面相互作用的电控双驱动激波管实验技术

本文介绍了用于研究平面运动激波与头激波迎面相互作用的电控双驱动激波管技术。研究成功的用电容高压放电破膜(聚脂薄膜)技术,破膜时间可控制在100微秒左右,破膜重复性为±50微秒;提出了同时测量和记录管内前后两道运动激波的速度,以及两激波间时间间隔的方法;并以第二激波作为纹影照相的同步信弓,实现了±2微秒的同步精度,从而用单火花和双火花纹影系统获得了双波迎面相互作用的流场照片。     

综述:面向工程应用的激光干涉动态测量

进入21世纪之后,激光干涉作为一种成熟的非接触式动态测量技术,开始逐步应用于不同的工业领域.激光干涉动态测量技术主要分成两类:一类是基于高速相机的干涉测量技术,而另一类则是基于单像素光电探测器的干涉测量技术.这两类技术都有其局限性:基于高速相机的技术受限于相机时间轴上的采样率;而基于光电探测器的技术则在空间域上只能进行...     

用在激波管风洞光学测量中的氩离子激光光源

本文报告了用在激波管风洞中光学测量用的,高重复频率短脉冲,A_r~+激光光源的研制结果。把激光调制成一组高频短脉冲的光脉冲组输出,是采用了高频脉冲电流组驱动A_r~+激光器的方法。这台光源用来作为激波管风洞中光学显示仪器(阴影仪、纹影仪)的光源,提高了仪器的灵敏度,同时也是干涉仪用的良好的光源。此外还可用来作为模型自由飞测力和动导数量用的闪光光源。其性能如下。发光器件:A_r~+缴光器; 光谱范围:4880A°、5145A°等六条谱线; 工作频率:1千赫/秒——5千赫/秒;或单次光脉冲输出; 组脉冲宽度:10毫秒左右(易于任意调节); 单脉冲宽度:约5微秒; 光脉冲能量:单个光脉冲光能,足使24°定胶片在φ20mm的面积上感光黑度大于1.0以上。本文报告的电源系统,除了可以驱动离子缴光器以外,还可以用来直接驱动脉冲氙灯、氪灯等光源,其最高重复频率也达5千赫/秒,单脉冲宽度也在微秒的量级。这样就提供了一个大面积高速摄影用的频闪照明光源,其用途就更加广泛了。文中提供了有关光源性能的测试的示波照片,以及在激波管风洞中应用,拍摄的流场显示照片和模型自由飞的轨迹照片共14幅。提供了调制驱动电源的线路设计图和有关电路图。      

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值.纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态.为定量研究速度分布和旋涡结构,针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究.在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统,通过定量测量,探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响.结果表明:激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称,而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧;斜压导致热核在演化初期产生涡环,后期则由剪切主导;正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时,产生斜压涡量,当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时,热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级;激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环,在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.     

激波风洞内超燃冲压发动机三面压缩进气道流场实验观测

主要进行了超燃冲压发动机三面压缩进气道的实验观测。利用来流马赫数4.5的直通式激波风洞,考察了三组具有不同压缩角度的进气道模型内部的流场情况。实验观测手段为油流法、丝线法和高速纹影,同时,辅以数值模拟以有助于流场细节分析。纹影照片展示了进气道内部以激波边界层相互作用为主要影响因素的流场复杂结构,数值模拟也显示了相近的结果。油流技术与丝线法显示了近壁面处的流动图像,照片中可见激波、分离线、再附线等分界线位置。根据实验结果,可以推测唇口激波与进气道内边界层的相互作用及其引起的壁面分离是影响进气道内流动的主要因素。同时,尝试了利用抽吸方法减弱激波与边界层相互作用诱发的壁面流动分离,并取得一定结果。     

高超声速流场激光测速技术研究进展

高超声速气流条件下飞行器内/外部流动中存在强湍流及脉动、边界层转捩、激波-边界层干扰和高温真实气体效应等耦合效应,表征该非定常流动现象对飞行器气动力、气动热以及目标光电特性等产生的影响是高超声速流动研究中的前沿课题.速度作为表征流动过程最重要的参数之一,准确的速度测量对于深入理解上述复杂流动-传输机理以及高超声速飞行器设计具有重要指导意义.文章针对高超声速流场速度测量中几种常用的非接触式激光测试技术进行了综述,主要包括基于空间法的粒子图像测速,基于激光吸收光谱、激光诱导荧光和瑞利散射的多普勒测速,基于飞行时间法的分子标记测速,以及基于流场折射率的聚焦激光差分干涉测速技术.首先简要介绍每种激光测速技术的基本原理,然后进一步介绍该技术在高超声速自由流、层/湍流边界层、激波/边界层干扰、尾流或其他复杂流动区域的速度及其脉动度测量等方面的典型应用,分析各种技术环境适用性及面临的局限性和挑战.最后对基于激光技术的高超声速流场速度测量进行了总结及发展趋势展望.     

激光散斑应用于变形测量

在激光全息照相的照片上,由于激光的相干性,造成了随机分布的斑点,大约是微米量级的,这就是散斑效应.自从1968年全息干涉计量蓬勃发展以来,散斑也吸引了很多人去研究它的应用.因为人们确信,散斑是一种干涉现象,对这种干涉现象,一定会找到它的应用.1969年 Leen-dertz 提出"散斑干涉"的方法,1970年 Archbold 等提出了"散斑照相"的方法.以后,大体上由这两种思想发展了一系列的方法和技术.直到现在,它们在变形测量及其它应用中,仍然是很活跃的领域.     

从流场干涉图定量计算冲击波传播速度和压力

研究了含冲击波流场干涉图的图像处理方法。首先利用快速条纹细化算法细化干涉条纹,并利用条纹追踪算法提取冲击波波阵面,然后根据配准算法把序列冲击波波阵面配准在同一幅画面上。根据上述算法,在PC-VISION100图像处理机上开发了应用软件。实验结果表明,该方法不但可用于从流场干涉图中提取冲击波波阵面,更重要的是可用于从含冲击波流场干涉图中定量计算冲击波的传播速度和压力分布。     

脉冲气流发生器流场的优化实验研究

为了分析脉冲气流发生器在不同喷嘴结构下的脉冲气流特征及其流场的变化规律,利用高速摄影技术, 通过控制闪光光源,得到不同喷嘴结构产生的冲击波及脉冲气流流场的实验图像及其影响。采用多项式拟合的方法获得冲击波超压值、速度随距离变化的衰减规律;通过图像处理技术,获取脉冲气流的有效数据,采用一阶指数衰减方程拟合出脉冲气流位移、速度随时间的变化规律。该实验方法及数据处理技术可以认知不同结构脉冲气流发生器产生的冲击波、脉冲气流的相关参数。     

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（weighted essentially non-oscillatory schemes），给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用，模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数（冲量耦合系数等）。计算结果及与实验结果的对比表明，靶材料和激光参数（功率密度、波长、脉冲宽度等）是影响推进效应的主要因素，并且计算结果具有较高的精确度。     

脉冲激光数字全息技术测量微形变

采用脉冲激光数字全息技术研究微小物体的三维形貌或形变等瞬态过程,实现应力场、流场及冲击波等超快物理现象的可视化诊断。通过对离轴数字全息中物参光夹角与CCD相机像素尺寸关系的理论分析,建立了小物参光夹角的脉冲激光离轴数字全息系统。该系统将单脉冲激光分成三束,通过调节光路中的反射镜,实现测试光与金属箔烧蚀光之间的时间同步,获得了激光烧蚀金属箔形变的动态图像,有助于研究短脉冲激光烧蚀金属靶产生的冲击波对物质微结构的影响。     

激光干涉测速中信号光纤色散测量

为对激光干涉测速系统(VISAR)中信号光纤的色散特性进行快速测量,搭建了一种基于时域法的 多模光纤色散测量装置。该装置由532nm 的皮秒激光器、快响应光电探测器以及宽带数字示波器组成,通 过对输入光纤前后的光脉冲时间宽度进行测量,来获得光纤的脉冲响应3dB脉宽(即色散时间)。利用该装 置分别对一根长度为123m 的国产梯度折射率光纤以及一根10m 长的阶跃折射率光纤在532nm 波长附近 的色散特性进行了测量。测得的梯度折射率光纤色散时间为(68316)ps,对应3dB频响带宽为646MHz; 阶跃折射率光纤色散时间为(163114)ps,对应频响带宽为271MHz。对实验结果进行了测量不确定度分 析,并与理论计算值进行了比较,获得了较好的一致性。研究表明,利用该实验装置,可对激光干涉测速应用 中信号光纤的色散特性进行迅速、准确的测量,从而为实验中信号光纤类型、长度等的合理选用提供参考。     

全场测速技术进展

速度场测量技术的研究在流体力学和空气动力学中具有极高的学术意义和实用价值．文中归纳介绍了近十多年来人们积极探索的各种全场测速新技术,特别是激光诱导荧光高速流场测试技术、二维粒子跟踪和粒子图象测试技术以及三维测速的最新进展      

冷原子重力仪单激光器系统倍频方法

针对原子干涉重力仪野外测量需求,提出一种基于单激光器系统倍频方法的高稳定、小型化激光系统方案。首先,分析了冷原子重力仪激光倍频原理;然后,以单台1560.4 nm光纤外腔激光器作为光源,基于激光倍频技术,设计了用于87Rb原子干涉重力仪的高稳定、小型化激光系统方案;最后,测试了用于重力测量的两路激光输出光束的功率稳定性。实验结果表明当780.2 nm激光输出功率为1.1 W和1.9 W时,对应功率均方根起伏分别为0.13%@4 h和0.15%@4 h,两路均可输出功率稳定、模式优良的780.2 nm激光,该系统可实现T=70 ms干涉测量,对应噪声灵敏度为610μGal/Hz。使用倍频方法的单激光器系统,实现了传统双激光器系统功能,具有高稳定、小型化特点,为原子干涉重力仪野外测量提供了技术基础。