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%。     

对凝聚态工质激光推进的思考

液体和固体等凝聚态物质以其自身独有的特性引起了广泛的研究兴趣。目前的研究结果表明,液体工质的冲量耦合系数较高,固体工质的比冲较高,但是能量转化效率都比较低。对照化学火箭发动机的理想热力循环过程,在对激光推进工作过程合理简化假设的基础上,给出了激光推进的理想热力循环过程,对激光推进的能量转化效率和化学火箭发动机的热效率进行了定量对比分析,结果表明,在能量转化效率方面激光推进并没有优势。分析了掺杂材料、含能工质以及液膜对激光推进理想热力循环过程的影响。定量研究结果表明,含能工质对能量转化效率的提高作用最明显,掺杂材料和含能工质对能量转化效率的提高效果比较明显。     

气液两相工质激光推进的理想动力循环模型

为了分析气液两相工质激光推进的能量转换效率,建立了气液两相工质激光推进的理想动力循环模型,对能量转换效率的影响因素进行了研究。结果表明,冲压比和定容增压比是影响能量转换效率提高的主要因素,增大冲压比或定容增压比都能有效提高能量转换效率,冲压比随进口马赫数的增大而增大,而定容增压比随激光功率密度或工质中水滴与空气质量比的增大而增大。增大工质中水滴与空气的质量比能够有效增大定容增压比,提高能量转换效率,据算例可得,当冲压比π=10,水滴与空气的质量比f由0增大到10时,能量转换效率ηt由52.5%提高到了55.8%。     

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。     

激光推进工质性能数据库

在激光推进的研究中,工质的选择在很大程度上影响着推进性能参数,因此有必要对各种工质进行实验或仿真研究。由于工质种类繁多,导致研究人员的实验和统计工作相当繁重。利用SQL-server系统,建立了激光推进工质性能数据库,使其具有归纳、分类和对比等功能。使用结果表明,数据库可以协助研究人员进行工质选择、推力器设计以及跟踪调研等,帮助相关领域研究人员在宏观上对工质性能有更好的了解。     

含能工质激光烧蚀推进效率分析

为了分析在高能脉冲激光作用下,含能工质化学能对推进性能的影响,在实验的基础上,对固体含能工质激光烧蚀推进过程中的能量效率进行了初步分析。结果表明:含能工质自身化学能在激光推进中具有重要的作用;与火箭推进方式相比,固体含能材料激光烧蚀推进方式的能量利用效率更高。     

透射式水工质的高耦合效率激光推进模式

为了提高激光推进的耦合效率,防止光学器件污染,提出了透射式液体工质的激光推进模式。在这种推进模式中,Nd:YAG固体激光器中产生的450 mJ,7 ns激光穿过透明的玻璃基底后,与燃烧室中的液体推进剂相互作用,产生的等离子体在玻璃基底、燃烧室和液体推进剂的约束下膨胀,产生很高效率的动量转换,使靶获得初速度。纯水和黑墨水分别被用作推进剂,通过比较实验结果发现,在这种模式中墨水比水更适合做推进剂。通过改变燃烧室的长度和孔径,得到的耦合系数的最大值为17 858.3 N/MW。     

水工质激光推进数值建模分析

在对水工质激光推进内流场特征分析的基础上,对描述内流场演化过程的数学模型进行探讨,研究了水滴蒸发模型、水滴变形和破碎模型在水工质激光推进内流场演化过程中的作用。研究结果表明,流场演化过程中,蒸发引起的水滴体积变化率不会超过0.0216%,因而蒸发模型对于计算结果影响不大,在计算过程中可以忽略;水滴在激波流场的作用下破碎成较小的水滴,形成二次雾化,破碎后的水滴体积最小只有原体积的1.5%,对于激光能量的沉积有较大影响,所以在计算中必须考虑水滴变形和破碎模型。     

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。     

CO_2激光烧蚀水所形成气蚀空穴机理研究

分析了激光烧蚀液体时形成表面空穴的机理。利用高速相机获得CO2激光烧蚀蒸馏水的流场照片,对空穴的发展过程进行了分析,发现空穴的快速发展期在最初的100μs内,之后在几百μs内保持平衡。用简单模型计算了不同能流密度下,空穴平衡时的形状,并分析了模型的局限性。研究结果对于揭示激光烧蚀水产生推力的机理有重要意义,有利于促进水工质激光推进的发展。     

固体推进剂激光烧蚀推进流场分析

利用高速纹影方法对固体推进剂对激光推进作用过程进行了测试,获得了脉冲激光能量作用下推进剂表面流场的产生及发展演变过程。分析结果表明,瞬态激光能量作用下,除了分解、燃烧产物产生的流动以外,还存在一个导引波的快速运动过程,在105～109W/cm2激光功率密度范围内,推进剂类型对其传播速度影响很小。     

基于动力冗余的液体火箭动力系统频率特性分析

液体火箭在发射过程中,恶劣的动力学环境常常会引起发动机推力下降或提前关机等工作故障,引入动力冗余技术可以保证发动机故障后仍有足够动力保证火箭正常飞行,从而大幅度地提高系统的可靠性。针对动力冗余技术而提出的液体捆绑火箭推进剂交叉输送问题,以三种工作模式：芯级火箭与助推器独立工作（Mode 1）;一台助推发动机故障,该助推器将多余推进剂供给芯级发动机（Mode 2）;为使助推器提前分离,所有发动机均由助推器供给推进剂（Mode 3）为研究对象,利用有限元技术分别建立三种工作模式下液体火箭动力系统的动力学模型。利用数值方法进行的频率特性分析表明,动力系统每组相似频率在Mode 1模式下的分布较为集中,而在其他两种模式下的分布则较为分散。此外,比较三种工作模式下蓄压器能量值的变频效果发现,Mode 1模式的变频效果最好,而Mode 3的效果最差。     

烧蚀模式激光推进的实验研究

采用CO2激光器和固体推进剂对三种构形的抛物型激光推力器模型进行了烧蚀模式下的单脉冲、多脉冲连续推进的对比实验,单脉冲实验获得的最高冲量耦合系数达到2.7×10-4N/W,对多脉冲连续推进时的冲量耦合系数有较大幅度的下降进行了分析,尝试采用PVDF薄膜传感器,测量了推力器内壁的瞬态压强,并采用热像仪对推力器的外壁温升进行了连续记录,为进一步研究激光能量转化为推力的机理以及热力冲击的影响提供了直接的数据。     

液氢/液氧火箭发动机燃烧过程二维数值模拟分析

本文应用数值模拟方法对液氢/液氧火箭发动机燃烧过程进行了计算,给出了发动机燃烧室内燃气参数分布。计算中通过随机喷雾模型确定液氧滴进入燃烧室的初始条件,应用高压蒸发模型计算液氧蒸发速率及Arrhenius公式计算氢氧气相化学反应速率。贴体网格由TTM方法生成,数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正的PISO算法,控制方程在非交错网格下离散并且对流项采用了二阶迎风格式。      

发展中的激光推进

激光推进作为一种利用激光能量与工质相互作用产生推力的新概念推进技术,以其比冲高、成本低、快速机动等优点吸引了国内外学者的广泛关注,美国、日本、德国、俄罗斯等国家都掀起了激光推进研究工作的热潮。这种新概念推进技术在微小卫星的近地轨道发射和卫星姿轨控等领域有着广阔的应用前景。总结了近年来国外在激光推进领域的主要研究计划,讨论了国外研究计划的进展情况及发展趋势。对激光推进研究工作具有一定的借鉴作用。