一种用于激光烧蚀微推进的比冲直接测量方法

比冲是评价激光微推进性能的重要指标,比冲的精确测量有助于分析激光与工质的烧蚀耦合机理,也有助于激光烧蚀微推力器的设计。为了对激光烧蚀工质比冲参数进行直接测量,采用垂直运动的扭摆模型,使单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用和异向作用各一次的方式获得相应冲量和烧蚀重量,从而可以直接获得比冲。研究结果表明,根据每次扭摆转角最大峰值和达到最大峰值之前的转角测量值可得到冲量,根据每次扭摆转角的稳态转角均值可得到工质烧蚀重量,结构设计中,横梁的结构尺寸是扭摆的设计关键。提出一种可以同时测量出单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量和相应烧蚀重量的方法。     

激光干涉法测量微冲量数据处理方法

采用激光干涉法测量微冲量是一种新的微冲量测量方法。为了有效地测量10-4~10-8N.s量级的微小冲量,对力的加载过程进行定量的描述,在激光等离子体微推进器(μLPT)研究过程中采用该方法作为测试手段。介绍了测量系统的组成及测量方法,进行典型实验并提供了实验测量结果,重点讨论了测量系统的数据处理方法,对处理过程中存在的问题及数据处理方法的局限性进行了分析。研究工作对于激光干涉法应用于μN.s量级微冲量测量具有一定的参考价值。     

激光干涉仪测微冲量原理

对激光干涉仪测量微冲量的原理进行了初步研究,将激光与靶材相互作用产生的微冲量转化为冲击摆的微幅振动,通过激光干涉仪辨识此振动以获得冲量。激光干涉仪可分辨出λ/8的微振动,为精确测量微冲量提供了可靠的保证。理论分析表明,研究工作对在作用力时间不可忽略条件下精确测量10-4N.s量级以下的微冲量具有意义。     

掺杂对甘油激光烧蚀冲量耦合特性的影响

为了研究激光推进技术中液体工质的最优掺杂浓度,进行了激光烧蚀掺杂甘油液体工质的冲量耦合特性实验研究。实验中采用10ns脉宽的Nd:YAG激光器烧蚀粘性液体甘油,在甘油中混合了不同浓度的纳米碳粉作为掺杂剂,以提高对激光能量的吸收。运用阴影测量法观测了激光烧蚀羽流的喷射过程,对不同掺杂浓度甘油的烧蚀产物、等离子体膨胀、激波传播、飞溅现象进行了对比分析;运用激光干涉扭摆法测量了烧蚀冲量,并分析了掺杂浓度对冲量耦合系数的影响。实验结果表明,掺碳后甘油的喷射行为、激波速度和冲量都发生了改变,而且掺碳后甘油的冲量耦合系数和比冲有了显著提高。综合分析得到1%浓度碳粉是甘油的最优掺杂浓度,此时冲量耦合系数从无掺杂时的67 m N·s/J提高到1250m N·s/J。     

液体工质激光推进冲量耦合系数实验测试

在成功研制液体工质注入系统的基础上,以脉冲式CO2激光器为光源,将雾化水滴用作工质,进行了激光推进性能实验测试研究。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数较大气吸气模式获得了较为明显的提高,达到了50×10-5N.s.J-1左右。与国内外相关实验结果进行了对比分析,讨论了提高液体工质激光推进性能参数的方法。     

脉冲激光能量对ADN基液体工质推进特性的影响规律

为获得脉冲激光能量对含能液态工质推进性能的影响规律,通过基于激光器、高速相机、扭摆搭建的测试系统对二硝酰胺铵(ADN)基液体工质的吸收性能、烧蚀性能、推进性能进行了研究。结果表明：ADN基含能液体是一种理想的液体工质,吸收系数达354.05cm^-1,吸收深度为28.24μm。在0～63.97mJ能量范围内,增大激光能量有利于提高ADN基液体工质的推进性能。在激光能量为63.97mJ时,ADN基液体工质的推进性能达到最优,对应的推进性能参数分别为：冲量53.31μN·s,冲量耦合系数0.8757mN·s·J^-1,比冲281.59s,能量转化效率122.40%。     

来流对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响

针对大气吸气模式激光推进的原理,采用二阶精度的Roe格式,在气体模型为完全气体时,分别对无来流以及来流马赫数为2.5和5的条件下,环聚焦激光推力器内外流场的演化过程进行了数值模拟。结果表明,无来流、来流马赫数为2.5和5时的冲量耦合系数分别为2.42×10-4N.s/J,1.00×10-4N.s/J和1.13×10-4N.s/J,无来流时激光推力器的冲量耦合系数高于同工况下有来流的情况,但来流马赫数为5时由于激波不会传播到推力器前体而产生负推力,因此冲量耦合系数较马赫数为2.5时高。研究结果可为激光推力器的构形设计以及实验模拟高空环境下推力器的飞行情况提供一定的理论指导。     

MEMS固体化学微推进阵列的微冲量测试技术

为了评价MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)固体化学微推进阵列的推进性能,对其单元微冲量的精确测试显得尤为重要.在传统冲击摆的基础上,考虑微推进器推力和燃气射流冲击力之间的比例关系,设计了一套适用于MEMS固体化学微推进阵列单元微冲量的间接测试装置,并成功用于6×6规格(单元集成度为36个/cm2)微推进阵列的实际测试中.结果表明:典型实验数据下的待测微冲量为2.5442×10-4N·s,相对误差小于5％;实测8个单元的微冲量平均值为2.5574×10-4 N·s,相对偏差较小,具有很好的重复性.     

基于扭摆台架的动态推力测试方法研究

微纳卫星微推力器的性能测试,要求在诊断稳态推力和冲量的同时测量动态推力,为此开展动态推力测试方法研究。根据扭摆式台架的二阶质量-弹簧-阻尼系统模型及特点,提出通过静、动态砝码标定,进行扭摆台架的转动惯量、阻尼常数和弹簧系数等参数辨识。利用干涉式激光位移计实现对微小位移的高精度和高频响测量,系统的测量精度约为10nm,测试带宽500k Hz。建立了探测器的记录光强与微位移间的数学模型,获取台架微位移,通过对微位移进行一次、二次求导获得台架的速度和加速度信息,根据台架运动方程,实现动态推力测量。误差分析表明,稳态推力测试的最大绝对误差小于0.5mN,动态推力测试的最大误差约为0.58mN。利用落压式工作的微型冷气推力器开展验证试验,结果表明该测试方法能够实现动态推力测量要求,响应频率为50Hz。     

透射式激光等离子体微烧蚀推力性能研究

激光等离子体微推进技术经过近10年的发展,越来越受到业内人士的广泛关注。针对透射式激光等离子体微烧蚀物理过程,构建了理论分析模型,并进行了仿真。结合仿真结果,分析了激光脉宽和靶材的选取对烧蚀产生的推力和冲量的影响,提出了激光微烧蚀推进参数设计过程中,需要注意的几个问题。采用冲击摆系统测量激光微烧蚀靶材推力特性,对理论模型进行修正,与实验结果对比,模型与实验测量结果符合良好。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

适于低温应用的玻璃纤维/聚醚酰亚胺复合材料

采用不同含量玻璃纤维/聚醚酰亚胺制备高性能复合材料,对其超低温(-253℃)线胀系数进行深入研究,并对其常温下的热导率、力学性能进行比较.结果表明,玻璃纤雏质量分数为30%时,复合材料的综合性能优异,其典型性能如下:低温线胀系数纵向为2.16×10~(-5)/K,横向为3.03×10~(-5)/K,热导率为0.31W/(m·K),拉伸强度为158 Mpa,弯曲强度为264 Mpa,无缺口冲击强度为4.24 J/cm~2.     

用于质量特性参数测量的新型气浮扭摆台

常规扭摆台采用滚动轴承和扭杆振动结构,纵向尺寸大、测量精度低、抗倾覆力矩小,不能满足质量特性参数综合试验台的要求,必须对其进行结构的分析和优化。本文提出交叉弹簧板结构替换扭杆,减少了扭摆台纵向尺寸,分析和实验表明该结构具有和扭杆相同的振动效果。将滚动轴承替换为气浮轴承,提高了抗倾覆力矩,测量精度最高达0.1%;采用有限元法对柱坐标系下修正的雷诺方程进行仿真计算,研究气浮轴承结构参数对承载能力和抗倾覆力矩的影响规律,确定了给定轴承外径下的最优几何参数。实验表明,改进的试验台提高了测量精度和振动稳定性,对卫星等飞行体质量特性参数的测量有重要的意义。     

单线扭摆测定惯性矩的问题

叙述了单线扭摆的结构原理，同时说明了用此摆测量惯性矩的方法及误差处理问题。     

利用TDS研究二次硬化钢中氢的扩散行为

利用升温脱氢分析装置(TDS)和慢速拉伸试验方法(SSRT)研究了一种二次硬化钢中氢的扩散行为及其对塑性的影响。结果表明,由于二次硬化实验钢中存在大量细小碳化物,氢的扩散系数约为3.42×10-8cm2.s-1,明显低于通常淬火回火马氏体钢。TDS分析发现,实验钢中存在两个氢逸出峰,激活能分别为20.2kJ.mol-1和24.6kJ.mol-1,由晶界、位错等弱氢陷阱引起。拉伸试样的断面收缩率随氢质量分数的增加先线性下降,氢质量分数每增加1×10-4%断面收缩率下降约12%;当氢质量分数达到5×10-4%时,断面收缩率低于10%,断口呈沿晶状。     

电弧加热发动机喷出等离子体静电单探针测量

应用静电单探针测量了kW级电弧加热发动机喷出等离子体参数分布。发动机以氮气为推进剂,测量范围为距离发动机喷口1.25～15cm,实验中真空舱压力为3～5Pa。实验获得了电子温度和电子数密度沿不同轴向位置和径向位置的变化规律,电子温度为0.4～0.8eV,电子数密度为1.2×1017～1.25×1018m-3。对比研究发现,N2为推进剂产生的等离子体的电子温度和电子数密度均大于N2-H2为推进剂的情况,但前者发散角较小。     

管中激光加速器的推力形成过程

管中激光加速器是一种新型的激光推力器,弹射体在管道中被加速。利用光线追踪法,根据光线在网格中的传播路径信息,运用辐射输运方程,得到流场的能量源项;数值求解含能量源项的流体控制方程,对管道中等离子体流场激波的形成和演化过程进行了研究。模型能够模拟空气光学击穿、空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用和推力形成过程,通过计算得到冲量耦合系数为3.61×10-4N/MW,等离子体内能转化为流场动能的比例约为9%。     

基于上游渐扩管安装条件的内锥流量计性能预测

针对内锥流量计使用灵活性要求，利用计算流体动力学数值仿真和实流实验相结合的方法，研究上游渐扩管安装条件对内锥流量计性能的影响，以获取所需的最短直管段长度。研究对象是100mm口径、β值分别为0．45，0．65，0．85三种结构类型的样机。开展了基线和渐扩管两种类型的实验，仿真和实验的介质均为常温水，雷诺数范围分别为0．2488×10^5～2．488×10^5和0．3843×10^5-2．479×10^5，仿真结果和实验结论一致。利用附加不确定度和流出系数相对误差作为主要的评价标准，给出了上游渐扩管安装条件内锥流量计所需的直管段长度。     

TiBw/TA15复合材料板材超塑变形行为研究

研究了TiB_w/TA15复合材料板材在900~960℃、5×10^-4~10^-2s^-1条件下的超塑变形行为。结果表明,TiB_w/TA15复合材料流变应力随拉伸温度的升高和应变速率的减小而降低,在940℃、5×10^-3s^-1变形条件下获得的最大超塑性伸长率为439%。利用Zener-Hollomn参数和Arrhenius方程所建立的峰值应力本构方程为ε·=3.55×10⁸[sinh(2.0×10^-2σ)]^1.99×exp(-6.381×10⁵/RT),其变形激活能Q=638.1kJ/mol。复合材料超塑性变形组织与拉伸温度和应变速率密切相关。高温低应变速率有利于基体α相的动态再结晶以及晶须与基体处孔洞的愈合,低温高应变速率下,孔洞更易萌生于增强相与基体结合界面的端部。动态再结晶对复合材料超塑性的发挥起着关键作用。     

X射线衍射全谱拟合法测定碳/碳复合材料的点阵常数

利用X射线衍射仪,采用全谱拟含的方法,测定三种不同碳材料的点阵常数、石墨化度及微晶参数,测得三种碳材料(每个样品重复5次试验)六方晶系的a的标准偏差小于2.0×10~(-3),c的标准偏差小于1.4×10~(-3),石墨化度(g)的标准偏差小于1.5,微晶参数(L_(c002))的标准偏差小于0.5,是一种有效的测试碳材料晶体参数的方法.