强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究

强激光烧蚀是一个复杂的物理化学过程,包括质量迁移、相变、运动边界等诸多复杂因素。如果靶为复合材料,烧蚀机理更加复杂,而且很难找到共性规律,这对数值计算方法提出了较高的要求。文章介绍了强激光烧蚀的理论基础、烧蚀模型以及对强激光烧蚀进行数值模拟的无网格方法（光滑粒子动力学方法,即SPH方法）。采用了SPH方法对典型靶的激光烧蚀进行了数值模拟,并给出了单层铝靶和环氧树脂/铝双层靶在激光辐照下的烧蚀形貌与温度场。计算结果表明,在不同材料的交界面,烧蚀将沿径向发展。     

炭纤维／环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算

应用工程软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)编制程序,建立了复合材料瞬态温度场和烧蚀的物理数学模型,利用"杀死"单元的方法实现动边界退移的烧蚀与热传导耦合计算,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述;采用AN-SYS中处理相变的方法,通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热。考虑了纤维的烧蚀、树脂分解以及辐射和对流热损失,对炭纤维/环氧叠层复合材料在不同辐射时间下激光烧蚀的温度场和烧蚀率进行数值计算,并分析了烧蚀特性和烧蚀机理,计算结果与实验结果吻合较好,可为复合材料热载荷下的失效分析和抗激光加固技术设计提供理论基础。     

激光驱动飞片速度和完整性的影响因素分析

激光驱动微小碎片装置是一种地面模拟微小碎片对航天器损伤破坏的研究设备,其模拟碎片的速度和整体性是两个最关键的性能参数。文章从驱动设备的原理出发,介绍了激光器性能参数、飞片靶约束层及烧蚀涂层对碎片速度和整体性的影响,给出了约束层和烧蚀涂层厚度设计方法及选材范围,并比较了不同的飞片靶制备工艺对飞片速度和整体性的影响。     

两种激光烧蚀微推力器工作模式的讨论

激光烧蚀微推力器技术是激光推进技术最有可能率先实现工程应用的技术研究方向。作为一种新型的空间推进领域电推进推力器技术,以其系统集成度较高、电功耗较低、冲量元精准等优势特性,在推进性能和系统集成等方面形成鲜明的特色,对于多种空间推进任务具备潜在的应用价值。以激光烧蚀微推力器发展历程为背景,总结提炼当前推力器技术发展趋势,提出了激光烧蚀微推力器目前最具研究价值的两种工作模式,分别对高低比冲两种不同工作模式进行了性能分析和比对,对激光烧蚀微推力器应用前景进行了展望,最后给出了进一步研究的建议。     

强激光辐照引起的气化反冲与冲击波传播

材料在强脉冲激光辐照下,表面将出现气化反冲,从而在内部形成冲击波。文章介绍了确定靶面压力的常用定标关系,计算了铝靶和涤纶靶在激光辐照下的表面压力和冲量耦合系数;文中还对激光冲击波的传播进行了数值模拟,得到了激光冲击波的传播图像及其与激光脉宽的关系。     

193 nm紫外激光对单晶硅的损伤特性研究

主要开展了193 nm紫外激光对单晶硅的损伤实验,观察分析了材料表面的损伤形貌,建立了193 nm紫外激光损伤单晶硅的理论模型,计算分析了材料的温度场及应力场分布,讨论了损伤形貌及损伤机理。研究结果表明：193 nm紫外激光对单晶硅的损伤机理主要为热力耦合效应,硅材料表面产生严重的熔融烧蚀和裂纹状的应力损伤,计算得到193 nm紫外激光对单晶硅的熔融损伤阈值为0.71 J/cm²、热应力损伤阈值为0.42 J/cm²。     

天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

纳米碳粉掺杂对激光烧蚀GAP的推进性能影响

实验以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(Glycidyl azide polymer,GAP）作为激光烧蚀微推力器的靶材。通过对不同浓度纳米碳粉掺杂和靶材厚度下激光烧蚀GAP的比冲、冲量耦合系数和能量转化效率测量，结合靶材喷射羽流图像，分析了纳米碳粉掺杂提高激光烧蚀聚合物靶材推进性能的机理，给出纳米碳粉掺杂的适用方式。实验结果表明：透射式下，掺杂纳米碳粉之后，聚合物对激光的吸收大幅增强，但激光烧蚀推进性能不随掺杂浓度增加而显著提升；纳米碳粉吸收激光能量形成温度极高的局部热区促进聚合物中化学能的释放，是推进性能提升的主要原因；掺杂纳米碳粉之后的GAP烧蚀深度降低，表现出面吸收特性；随着靶材厚度的增加，未完全烧蚀的工质质量增加，使得靶材的利用率大大降低，导致聚合物推进性能下降。实验中掺杂3%纳米碳粉、厚度为54 μm的GAP靶材最优能量转化效率超过250%，适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材。     

天基激光清除空间碎片方案与可行性研究

介绍了激光烧蚀驱动机理和空间碎片降轨清除原理,通过分析计算确立了空间碎片降轨清除判据和2 种降轨清除模式。理论计算给出了清除1200、800 和500 km 三个典型低地球轨道上空间碎片所必须的速度增量、激光器功率、单脉冲能量、激光发射镜直径等主要参数值。对比分析显示现有的硬件指标和条件能够满足清除低地球轨道上空间碎片的设计要求,因此,天基激光清除空间碎片方案从技术角度是可行的。     

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中，天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术，特别是针对移除海量的、尺寸在1~10 cm的危险碎片而言，更是具有独特优势。然而，这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高，目前的硬件水平还达不到实用指标要求，制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍，本文另辟蹊径，利用小卫星概念，提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座，通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度，最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数，根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力，结果显示，10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜，能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而，针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域，设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案，通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座，降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求，为该技术的应用提供了新的思路和途径，所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。     

重复频率脉冲激光辐照下光学薄膜元件 温升的有限元分析

文章采用有限元ANSYS程序分析了在重复频率脉冲激光辐照下光学薄膜元件表面的温度变化。结果表明激光脉宽相同时,重复频率越高,相同辐照时间薄膜元件表面温度累积就越大;占空比一样时,脉宽越大,相同辐照时间元件温升越高。重复频率表现出来的只是温度的累积效果,脉宽的影响效果远大于重复频率引起的温度累积。     

布里渊增强四波混频实现激光告警干扰原理

针对现有的激光告警和干扰方法的缺点,提出了利用布里渊增强四波混频法实现对激光制导武器一体化告警和干扰的方法。分析了该方法的优点,定量计算了干扰激光的强度。     

钣金件快速精确加工中的激光切割工艺分析

针对δ0．5mm～δ6mm钣金件的结构特点,通过比较常用加工工艺和激光切割过程工艺．选出适合实际的优化方案。验证了不同切割参数对切割质量的影响。在工艺参数为：脉冲功率2．4kW、脉冲宽度约10ms、功率密度10^7W/cm^2的情况下,激光切割δ0．5mm～δ6mm钣金件获得了良好的切割质量,尺寸精度控制在误差（±100μm）范围内。工艺方案合理,生产率高。     

激光辐照充压柱壳温度场和应力场数值模拟

考虑了材料参数随温度的变化,用有限元法计算了充压柱壳在不同预应力载荷、光强分别为均匀分布和高斯分布的激光辐照下的瞬态热力学耦合过程,计算出温度场和应力场。分析了热力学耦合规律,给出了破坏的危险部位。计算得到,应力峰值出现在激光加热的高温区和常温区的交界处;对于光强高斯分布,破坏首先发生在光斑中心附近;而对光强均匀分布,破坏首先会发生在边缘处。     

激光辐照条件下光电电池温度特性的实验研究

激光输能具有广阔应用前景,而光电电池是激光输能技术中实现光-电转换的核心部件。文章围绕温度对光电电池输出性能的影响,通过建立电池输出性能实验测试系统,研究了一定激光功率密度下砷化镓电池和硅电池在不同温度下的伏安特性,以及开路电压、短路电流、最大输出功率、匹配负载、转换效率、填充因子随电池温度的变化规律,并给出其定量表达式,可为激光输能条件下光电电池的选择以及光电电池温度特性预测提供参考。     

高重复频率DPL激光辐照光学薄膜元件温升规律实验研究

光学薄膜是激光系统中最易损坏的薄弱环节。在高重复频率脉冲激光辐照下光学薄膜表面温度急剧上升,导致膜层应力、结构发生变化,最后出现宏观的灾难性损伤。文章采用红外热像仪实时测量了重复频率10 kHz 的DPL脉冲激光辐照下光学薄膜元件表面激光辐照中心点的温度变化,分析了影响薄膜元件温度变化的众多因素。结果表明,采用热导率较大的材料作基板的薄膜样品表面的温升较低;基板厚度越大的薄膜样品表面温升越低;薄膜表面激光辐照中心点的温度与样品的吸收峰值功率密度呈线性关系。     

激光频率波动对内差相干通信载波恢复性能的影响分析

搭建内差相干激光通信系统频率波动模型,对比分析BPSK和QPSK两种信号在不同频率波动条件下和Viterbi-Viterbi滤波器长度时的载波恢复性能.结果表明,当系统的工作状态稳定后,在激光频率波动幅度和波动频率较小时,两种信号的光信噪比损失平均值均小于0.5dB;随着波动幅度和波动频率的逐渐增大,Viterbi-V...     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体温度二维重建

激光吸收光谱技术在航空航天领域具有广泛的应用前景。文章利用多波长激光吸收光谱技术设计了气体温度二维重建系统,实现了燃烧场气体温度的二维重建,通过增加吸收谱线信息减少了投影个数。重建算法采用了遗传模拟退火结合序列二次规划(SQP)的混合算法,在实现全局寻优的同时提高了运算效率。建立了产物包含水的燃烧模型,利用8条水的近红外吸收谱线,对燃烧场温度进行了二维重建。通过在测量信息中添加不同比例的随机噪声,验证了算法的稳定性,并与双波长吸收法进行了对比。数值仿真实验结果表明,在低噪声环境下,两种方法的重建结果相当;但对于噪声较大的环境而言,多波长吸收法的重建效果更为稳定。