空气压强对激光推进器冲量耦合系数影响

设计并加工了激光推进器实验模型,以空气为推进工质,利用脉冲式CO2激光器,研究了空气压强对激光推进器冲量耦合系数影响。实验结果表明,空气压强对激光推进器性能有显著影响。在文中实验条件下,当空气压强大于6 kPa时,激光推进器冲量耦合系数随压强减小而减少较慢;当空气压强小于6 kPa时,激光推进器冲量耦合系数随压强减小而减少很快。     

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。     

Lawrence-Gurney模型对于激光驱动飞片的适用性分析

Lawrence-Gurney模型给出了求解激光驱动飞片速度的方程组。文章从理论和试验两个方面对Lawrence-Gurney模型的适用性进行了分析,发现该模型不能较好地描述厚度为10μm以下飞片的驱动过程。主要原因是Lawrence-Gurney模型对激光与飞片的具体相互作用过程进行了简化假设,依据能量守恒和动量守恒定律建立数学方程组,而这些假设条件和近似求解条件对于厚度小于10μm的飞片均不能很好地成立,导致对飞片速度、能量耦合效率、冲量耦合系数和飞片烧蚀深度随激光能量变化的理论预估结果与试验结果偏差较大,需要进行修正。     

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。     

激光驱动典型几何形状碎片运动建模研究

在以往的激光烧蚀驱动移除空间碎片研究中,均假设激光光束覆盖整个所关注的空间碎片。文章提出了焦斑式激光辐照下球体、圆柱体和立方体碎片反喷冲量和运动姿态的计算模型,研究了激光辐照在3种形状碎片不同位置处所产生的反喷冲量和姿态变化规律。结果表明:碎片运动规律与碎片几何形状和激光作用位置有关,当反喷冲量过质心时,碎片获得平动冲量;不过质心时,则会改变碎片的角速度或姿态。研究结果可为激光移除空间碎片研究提供理论参考。     

高超声速流动壁面催化复合气动加热特性

针对高超声速流动壁面催化特性,计算了不同壁面催化复合系数条件下的球锥驻点热环境。引入了经验证的数值求解Navier Stokes方程的方法,在不同壁温500K～2500K的条件下分别分析了O 2和N 2气体在壁面处的催化复合气动加热特性,得到如下结论：（1） 原子复合放热将提高近壁面温度梯度,改变近壁面组分分布;原子复合放热一部分加热飞行器形成组分扩散热流,一部分加热近壁气体提高近壁温度梯度。（2） 在壁面催化复合系数较小时,原子复合放热主要转化为组分扩散加热,对于不同壁面温度,壁面催化复合系数α<0.1时,单一气体反应组分扩散热流小于总热流的20%。     

基于数值方法的三维激光海面漫反射特性研究

为提高卫星海色遥感技术在实际应用中的效率,对不同海况下不同入射角度的三维激光海面漫反射特性进行了建模仿真计算,并在实验室条件下对激光入射波动水面后产生的散射场能量分布特性进行了研究。根据麦克斯韦尔方程和边界条件分析了散射场在各向分量间的耦合关系,矢量分解后得到了6个标量方程并用矩量法进行离散,给出了离散后的矩阵方程。用稀疏矩阵规则网格法(SMCG)求解矩阵方程,求解时采用共轭梯度法(CGM)计算。在对有限照射区域进行计算时,为减少边界效应产生的误差,用能量强度服从高斯分布的三维锥形波模拟入射激光束。仿真计算了不同粗糙度海面的三维双站散射系数,结果发现:对相同粗糙度海面模型,入射角度越小,粗糙面对激光的漫反射就越大,散射场的能量分布也越均匀。用实验对仿真结果进行验证,结果表明:与基尔霍夫近似(KA)和二维前后向迭代法(FBM)相比,该方法能准确表示波动水面的三维激光漫反射特性,为进一步研究三维激光海面漫反射特性奠定了基础。     

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。     

激光跟踪仪现场测量不确定度检测

为了满足现场测量的要求,掌握AT901-B激光跟踪仪的测量精度随测量环境改变而变化的规律,通过试验,对激光跟踪仪测量精度随时间变化、测量距离变化和测量角度变化的规律进行了研究,得到测量不确定度的变化规律,为不同测量环境下的现场测量提供了测量精度评价参考。     

激光焊接与切割

由于激光束内的能量高度集中和最小的加热面积,能获得很高的物理化学性能的焊接。这种焊接应严格保持激光束聚焦在所规定的范围内。在被焊件的正面和端面涂悬浮液以改善焊接过程。激光切割机的辐射功率,对辐射过程的效率及切割质量影响极大。列举了钢、铝合金及非金属材料的气体激光切割状态。     

固冲发动机补燃室二次燃烧实验研究

采用不确定度评定的地面直连冲压实验设备,对某全尺寸固冲发动机补燃室二次燃烧进行了实验研究。通过测定比冲效率,确定了不同的燃气发生器喷嘴结构、空气进气角度、进气头部距离和补燃室长度对二次燃烧的影响,并进行了机理分析。结果表明,五喷嘴比冲效率较高,燃气的切入方式对补燃室二次燃烧有重要影响;增大入射角度,可提高比冲效率,但加剧了燃烧产物在补燃室内的沉积;补燃室头部距离不宜过大,比冲效率不随头部距离线性增加;补燃室长度增加,可使比冲效率提高,但效果并不理想。     

Population inversion and gain distribution in supersonic mixed flow systems

Experimental results are reported for small signal gain distribution across a cavity of a mixed flow gasdynamic laser system at different turbulent supersonic mixing regimes. It is shown that the temperature range of the GDL generation regime can be extended up to 7000°K, and gain coefficients as high as 3.5 m⁻¹ be attained in a “double-freeze” supersonic gas flow. Basic advantages are discussed as well as the opportunity to obtain higher efficiencies in thermally pumped laser systems.     

基于碳氢燃料裂解工作的ATR发动机性能分析

提出了一种基于碳氢燃料裂解气体驱动涡轮工作的ATR发动机方案,并对特定裂解气成分的碳氢ATR发动机性能进行计算,获得了裂解气中烷/烯比对发动机性能的影响规律。结果表明,在同一飞行条件下,随着发动机转速上升,推力逐渐上升,比冲基本呈减小趋势;在同一转速下,碳氢燃料裂解气中烷/烯比越大,发动机比冲越高。在烷/烯比4、转速百分比70%条件下,发动机比冲最高达到约7 644 m/s;随着烷/烯比逐渐升高,裂解气比热容逐渐升高。     

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。     

利用TDLAS技术评估火箭基组合循环发动机试验性能

针对宽范围工作的火箭基组合循环（RBCC）发动机推力、比冲和燃烧效率等性能难以通过关键参数的实时测量直接计算的问题,提出利用可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS）技术实现发动机燃气温度、H2O组分浓度和速度多参数同时实时在线非接触式激光光谱测量方法,搭建用于RBCC地面试验性能分析的时分复用-扫描波长TDLAS系统。通过试验获得的(7444.352+7444.371)/7185.597cm -1 谱线附近吸收光谱,从而得到燃气温度、H2O组分浓度和速度参数,并结合数值模拟方法确定的流场参数纵向分布,实现基于关键参数在线测量的发动机性能直接计算。该方法有助于评判燃烧组织和结构改变对发动机性能的影响。     

Experimental and theoretical modeling of laser propulsion

Some schemes of laser propulsive systems are discussed. The question concerned with a body acceleration due to series of air blast waves generated by laser sparks is studied. For this purpose the numerical solutions of gasdynamic equations are found under appropriate initial conditions corresponding to the real ones. Radiative losses and spatial effects at the nozzle exit are taken into account. Theoretical results presented as coupling coefficients (equivalent to reciprocal thrust cost realizing under periodical pulse laser operation) are compared with the experiment. Using conical and parabolic nozzles irradiated by pulsed CO₂ laser the thrust cost about 2000 W/N is achieved which is close to the minimum possible one for the air blast wave-nozzle wall interaction. The main characteristics of laser propulsive jet are presented. Experimental results on recoil momentum transfered to solids under their evaporation by the pulsed CO₂-laser are presented as well. The question of plasma shielding effects on the momentum transfer under the vapour optical breakdown conditions is touched on.     

复合固体推进剂燃气烟雾对激光透射的影响

建立了一套测定固体推进剂燃气烟雾对激光衰减的装置,研究了固体推进剂燃气对激光衰减的规律,由实验结果和理论分析得出,燃气烟雾对激光和可见光的透射率较好;能量较高的丁羟推进剂无烟化的最佳配方是Al粉含量应小于8%,硝胺(HR)的含量应大于30%。