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。     

纳秒激光对含能聚合物固体薄膜的烧蚀特性研究

含能聚合物是激光烧蚀微推进中一类重要的推进剂，聚叠氮缩水甘油醚(GAP)是其中的典型代表。为了研究含能聚合物固体薄膜在纳秒激光下的烧蚀特性，使用8ns脉宽的Nd:YaG激光器以反射式和透射式烧蚀GAP固体薄膜靶材，对羽流演化过程和烧蚀坑形态进行了研究。结果表明:反射式烧蚀的羽流中喷射产物以气态为主，固态碎片较少，受迫形成锥面喷射，羽流演化速度较快。透射式烧蚀喷射在约束作用下，有大量固态碎片以球面膨胀，约束在羽流演化的早期抑制了喷射速度，但会逐渐碎裂分解释放产物和能量，使喷射前沿再次加速，约束延长了烧蚀区在靶材滞留的时间，使透射式烧蚀的靶材内热传导效应更为显著。在此基础上，以不同激光能量密度透射式烧蚀靶材，研究透射式烧蚀能量沉积区与周围工质的侵蚀和约束关系。结果表明:激光能量密度越大，周围工质受到的侵蚀作用越强，烧蚀坑面积越大，能量沉积区受到的约束作用越弱，透射式烧蚀的羽流演化体现出部分反射式烧蚀的特征。     

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%。     

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。     

掺杂吸收剂对激光烧蚀GAP推进性能的影响

对激光烧蚀微推力器而言,聚合物靶材的激光烧蚀推进性能至关重要。为了研究掺杂剂对靶材推进性能的影响,寻找优化靶材性能的方法,以含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用高精度扭摆、能量计和高倍显微镜测量的方法,以冲量耦合系数、比冲和能量转化效率参数作为量化指标,改变聚合物的掺杂浓度、靶材厚度以及激光入射方式,对掺杂不同吸收剂后的GAP的推进性能进行了研究。结果表明:纳米碳粉以局部热区的形式加速聚合物的气化分解,推进性能受掺杂浓度的影响较小;掺杂纳米碳粉的GAP表现为面吸收特性,随着靶材厚度增加,喷射产物的气化程度降低,聚合物推进性能下降;较薄的掺杂纳米碳粉的GAP的等离子体阈值低,表现出高比冲和高能量转化效率,其中能量转化效率最优值接近300%,适合作为透射式激光烧蚀微推力器的烧蚀靶材。红外染料对1064nm波长的激光具有较好的吸收性能,掺杂红外染料使GAP对激光能量的吸收增强,化学能释放更充分;聚合物的推进性能对红外染料的掺杂浓度十分敏感,在掺杂浓度为5%时性能表现优秀;不同浓度红外染料掺杂下GAP的烧蚀深度不同,当靶材的厚度与烧蚀深度相近时,GAP的推进性能表现最好。     

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。     

透射式激光烧蚀PVC冲量耦合性能实验

激光烧蚀推进是激光推进中最有应用前景的研究分支,吸引了国内外大量学者的关注。为了研究透射式激光烧蚀条件下靶材厚度和激光能量对冲量耦合性能的影响,以二极管激光器作为能量源,玻璃作为透射层,对不同厚度、不同入射激光能量条件下,掺碳质量分数为2%的PVC薄膜进行了透射式激光烧蚀实验研究。冲量耦合系数最高为65.78μN/W,与国内外相关报道的数据相比较,结果规律一致性较好。研究结果证明了双层结构靶材的透射式激光烧蚀可以提高冲量耦合系数,入射激光能量与靶材厚度对冲量耦合性能影响较大。     

激光推进中激光波长对推进效应的影响

针对"烧蚀模式"激光推进,为了精确计算靶材的烧蚀质量以得到较准确的比冲值,采用了平衡气化和"电子崩"等简化模型描述激光等离子体的形成,初步实现了固体靶的激光动态烧蚀物理过程。同时采用光线跟踪的思想计算了等离子体的对激光脉冲的逆轫致吸收过程,重点计算和分析了激光波长对推进效应(冲量耦合系数Cm和比冲Isp)的影响及其机理,结果表明:随着波长的增大,Cm减小,Isp增大;波长为2.5μm处的能量利用率η最高,达到了97.8%。     

激光烧蚀掺杂金属聚合物推力产生过程数值模拟

为了增进对激光烧蚀推进中推力产生过程的认识,建立了激光烧蚀掺杂聚合物推力产生过程的模型,发展了一套包括激光能量沉积、工质烧蚀、烧蚀羽流飞散等过程的数值仿真程序。数值计算了真空中3~40J/cm~2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的推力、烧蚀轮廓及质量、压强分布和比冲特性,且比冲与实验数据较吻合。计算结果表明:高激光能量密度(30.0J/cm~2)较低激光能量密度(5.0J/cm~2)的金属颗粒剥蚀情况严重;低激光能量密度(5.0J/cm~2)下推力时间变化规律较简单,总体呈现先增后减的趋势,且从整体上看只有一个压强峰值;而相对较高的激光能量密度(30.0J/cm~2)下,由于存在"烧蚀-屏蔽-烧蚀被削弱"的制约关系,推力时间变化规律复杂;流场产生的高压区较多,且呈现交替产生、并存发展到衰减消失的规律;羽流与激光的相互作用更为剧烈,峰值压强也更大。     

激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程实验研究

为了加深对激光支持的脉冲等离子体推力器工作过程的认识，本文对有无陶瓷隔离板和不同初始电压下的激光支持的脉冲等离子体推力器进行了实验研究。利用放电伏安特性对比了放电特性参数和性能参数，然后利用结合窄带滤光镜的高速摄影技术揭示了性能差异背后的物理过程变化。结果表明，陶瓷隔离板可以有效避免放电电弧对工质的烧蚀，这可以抑制滞后烧蚀的产生，从而提高推力器的推进性能。对激光烧蚀产生的工质的电离和加速是在多次振荡放电过程中进行，而不像理想电流片模型那样只电离和加速一次。放电通道内工质的电离和加速效果最为显著的时间为放电的第2个半周期。随着初始电压的增加，单位放电能量产生的推进性能先增加后趋于平稳，然后继续增加。单位放电能量产生的推进性能在初始电压高于2050V后得到较大的提高，通过放电等离子体图像推测，这意味着附着等离子体电弧的存在对推力器性能的提高有重要影响。     

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。     

可控固体推进技术研究进展

可控固体推进技术是指在基于含能材料为工质的固体推进剂燃烧过程中,借助一定措施使得推进剂的燃烧方式可控,燃速可调,实现推力可随机控制的推进技术。其可对推进剂燃烧状态进行主动控制,有望从根本上解决固体推进剂发动机推力主动、随机控制等关键技术难题。从推力可控实施方案、对应推进剂类别以及其应用技术等方面对当前可控固体推进技术研究进展进行了综述,并对部分可控固体推进技术中的推力可控实施方案提出了建议。     

地基激光器发射微卫星的方案设计与弹道优化计算

1引言随着高功率激光技术的发展,用地基激光器发射近地轨道卫星将成为可能。上世纪90年代初Hum-bleW E和Pierson B L提出用一台地基300 MW的CO2激光器把初始质量为1 900 kg的飞行器发射到近地轨道[1]。飞行器的弹道在初始段有一向后运动的“后摆”段。这种弹道可以充分利用激光     

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。     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

Advanced Pulsed Plasma Thrusters and Their Application as a Part of Small Spacecraft Propulsion Systems

The paper presents the research results of the effect of a capacitor energy storage device configuration on the specific characteristics of advanced modern propulsion systems based on the ablative pulsed plasma thrusters (APPT). These thrusters are designed to perform specific tasks within the small spacecrafts with the onboard power capacity up to 200 W.     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

激光推进发射微小卫星弹道仿真与分析

建立了初步的激光大气传输模型和光船的三维运动模型,通过对单站大气盘旋入轨模式下的推进弹道仿真分析可知,单站推进模式下激光在稠密大气层中行程较大,激光传输衰减严重。针对上述问题,以激光推进发射微小卫星为应用目标,提出了基于过顶接力和等光程接力两种方式下三站入轨的推进模式,给出并分析了相应的仿真结果,并利用等光程接力方式分析了激光推进发射微小卫星的运载能力。结果表明,三站等光程接力方式可以有效的解决激光传输问题,减小了激光在稠密大气层中的传输距离和激光的传输损失,提高入轨质量。