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。     

靶材厚度对透射式激光烧蚀性能的影响

为从微观角度更加直观地研究靶材厚度对透射式激光烧蚀微推进性能的影响,采用刮涂法制作了6种不同厚度的聚叠氮缩水甘油醚/硝化棉(GAP/NC)共混聚合物掺杂红外吸收染料(IR)的烧蚀靶材,基于高速相机和高倍显微镜搭建了羽流观测系统和靶坑观测系统,研究了在纳秒脉冲激光辐照下,烧蚀厚度分别为33μm,53μm,78μm,104μm,125μm和144μm的GAP/NC+IR靶材所产生的羽流流场随时间演变的微观过程和靶坑形貌的微观特征,从而建立了透射式激光烧蚀的微观特征与宏观推进性能的联系,进一步分析了其所表征的推进性能的优劣。结果表明:随着靶材厚度的增加,靶材的前沿喷射物初始速度由2100m/s单调降至1340m/s左右,预示着烧蚀比冲的减小;喷射物中大颗粒凝聚态物质增多,靶坑的体积增大,喷射质量增加,预示着烧蚀产生的冲量和冲量耦合系数的增大;喷射发散角减小,羽流方向性变好,但烧蚀过程对基底的冲击程度增强。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

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。     

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。     

脉冲激光推进的能量相似律理论研究

激光推进的能量相似律,指确定的激光能量有与之相对应的最佳喷管尺寸,使得冲量耦合系数最大且不变的规律。用大气高度参数、入射的激光能量、喷管几何参数构造了无量纲因子,建立了圆锥形喷管在单脉冲条件和一维球对称点聚焦情况下的能量相似律。结果表明:当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数存在极大值,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而单调增大,冲量耦合系数则与能量无关。本文的研究结论和规律性认识,对目前可实现和以后工程化放大的激光能量范围,均能给出可信可靠的喷管优化尺寸。     

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。     

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。     

聚焦方向对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

为了获得吸气式激光推进冲量耦合系数随聚焦方向的变化规律,针对抛物形喷管,采用光线追踪法求解辐射输运方程,通过与二维轴对称辐射流体动力学方程组联立,计算得到了3组单脉冲激光能量条件下不同聚焦方向对应的冲量耦合系数。计算结果表明:当聚焦方向在0°～135°范围内变化时,冲量耦合系数总体上呈下降趋势,而且激光能量较大时,这种趋势愈明显。     

水烧蚀激光推进性能初步分析

利用所建流场信息与推力信号同步采集的实验系统,开展了水烧蚀激光推进性能实验研究。研究发现,实验中随机出现两种特征差别明显的现象,即水烧蚀和水诱导的空气击穿。对两种现象获得的气蚀空穴发展、推力特征、冲量耦合系数、比冲和能量利用率进行了分析。结果表明,与水诱导空气击穿相比,水烧蚀获得的气蚀空穴发展较快、推力幅值、冲量耦合系数和能量利用率都高约10倍,比冲比较接近。研究结果对于水烧蚀激光推进的发展有重要意义。     

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。     

吸气式激光推力器速度与高度耦合特性的数值研究

使用基于有限体积法和分区结构化网格划分的高分辨率数值方法,计算得到了两种吸气模式激光推力器模型在加速度为10 m/s2的发射过程中,其冲量耦合系数随海拔高度的变化规律。不考虑来流速度和空气补充时,高度特性计算结果与实验吻合得很好。结果表明:推力器与空气具有相对速度时,冲量耦合系数整体明显减小,导致激光推进单级入轨发射由吸气模式向火箭模式的切换点由目前预测的20~30 km明显下移至10~20 km;经过进气道增压处理后,冲量耦合系数大幅度提高,为了增大吸气模式的工作高度范围,进气道设计是必不可少的关键技术之一。     

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。     

Study on Energy Law of Similitude for Laser Propulsion in Repetitively-pulsed Mode

Energy law of similitude for laser propulsion refers to the law that there is an optimum nozzle configuration for the largest value of impulse coupling coefficient at certain incident laser energy. A dimensionless factor combined with incident laser energy, nozzle configuration parameters and working gas parameters is introduced. Energy law of similitude is established by means of theoretical analysis, experimental study and numerical simulation of radiation gas-dynamics. The qualitative results obtained from theoretical analysis are verified by experimental and numerical results. Physical meaning and engineering application of dimensionless factor and energy law of similitude are analyzed. Results indicate that

impulse coupling coefficient has a maximum value with dimensionless factor of about 0.4;

impulse coupling coefficient is independent of incident laser energy when dimensionless factor is constant. Conclusions and recognitions acquired in this article can not only present optimum nozzle configurations for the present laser energy level, but also provide a good guide for the optimum nozzle configuration design once the laser energy is amplified to a high level.     

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。