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。     

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。     

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%。     

激光脉宽对含碳粉GAP推进剂推进性能影响初步研究

针对激光烧蚀微推进技术中推进剂微推力偏小、冲量耦合系数较低的现状,设计了掺杂碳粉的聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂。利用低功率半导体激光器,对GAP推进剂的推进性能进行了测试和分析,获得了不同脉宽条件下,比冲、冲量耦合系数的变化规律。研究结果表明,激光功率7W、脉宽2ms时,推进剂比冲和冲量耦合系数最大分别为100s和195μN/W。     

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。     

激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响的数值模拟

为研究激光功率密度对纳秒激光烧蚀冲量耦合影响,建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型。以空间碎片常见材料Al为例,用建立的物理模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀产生的冲量随时间变化情况,数值结果和已有的实验数据符合较好。数值计算表明:辐照的激光功率密度越高,发生等离子体屏蔽时间越早,等离子体屏蔽越明显,能量利用率越低;随着激光功率密度的逐渐增大,获得的冲量逐渐趋于稳定,冲量耦合系数降低,数值计算结果与Phipps的最优能量耦合规律一致。      

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。     

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。     

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%。     

新一代高能固体推进剂的能量分析

根据最小自由能方法,计算分析了叠氮基含能预聚物和高能高密度氧化剂对AP/R-DX/Al/HTPB复合固体推进剂能量特性的影响。GAP、AMMO和BAMO的氮平衡值优于HTP-B,含有叠氮基含能预聚物的复合固体推进剂,其标准理论比冲(I°ss)出现最大值时所对应的RDX含量相应地升高。无论是HTPB,还是GAP、AMMO和BAMO,标准理论比冲和燃温(T_c)在Al含量为18％时都有极大值出现,燃气平均分子量(M(则随着Al含量的增加而增加。减少GAP配方中的AP含量,代之以硝酸酯增塑剂,可显著提高I°ss,与RDX相比,采用高能高密度氧化剂HMX,HHTD和ONC的复合推进剂的最大优势是密度的提高,从而显著地改善了密度比冲。与NEPE高能固体推进剂相比,GAP推进剂在相同的粘合剂体积分数下,标准理论比冲可提高24.5～34.3N·s/kg。而在相同能量特性的情况下,推进剂的粘合剂的体积分数可提高50～65％。因此,叠氮基含能预聚物和高能高密度氧化剂的使用,将代替下一代高能固体推进剂的发展方向。     

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.     

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     

MACH2 simulations of a micro laser ablation plasma thruster

In this work the detailed physical processes occurring in the high density plasma that is ejected from the solid propellant surface in a small laser ablation thruster are simulated using MACH2. Qualitative results of the laser ablation process that leads to propellant erupting from the surface and leaving behind a crater in a solid Teflon® propellant are presented. Simulations were conducted for a 0.5 μs laser pulse (FWHM) at 935 nm with laser pulse energy ranging from 20 μJ to 2 mJ. Simulation results indicate that crater diameter and depth increase with pulse energy. The impulse bit also increases with pulse energy. Specific impulse follows the opposite trend and decreases with laser pulse energy. The simulated impulse bit for a 2 mJ, 0.5 μs laser pulse over-predicts that reported in the literature for a 2 mJ, 2 ms laser ablation thruster pulse by approximately one order of magnitude and under-predicts the specific impulse by approximately one order of magnitude.     

H2O2/HTPB固液火箭发动机燃料配方正交优化设计

采用随机轨道法计算了H₂O₂/HTPB固液火箭发动机的喷管两相流,并采用试验结果验证了数值计算的准确性.研究了不同凝相质量分数和粒子平均直径对喷管性能的影响,结果表明:随着凝相质量分数和粒子平均直径的增加,喷管效率逐渐降低.对固体燃料中的Al,Mg,AP和B等组分的质量分数进行了正交试验设计,研究分析了不同燃料组分对喷管两相流和发动机性能的影响,并对固体燃料配方进行了正交优化设计.结果表明:凝相组分质量分数随Al,Mg的质量分数增大而增加,AP和B的质量分数对凝相质量分数影响较小;添加Al,Mg,AP和B等物质对发动机的最佳理论比冲影响不大,但可以有效提高最佳理论密度比冲;添加Al和Mg等金属颗粒会增加喷管损失,降低实际比冲和实际密度比冲,添加AP和B对比冲效率影响不大.      

激光烧蚀微推力器研究进展

激光烧蚀微推力器以其具有的许多显著优势成为最具应用前景的微推力器备选方案之一。其原理是通过星载固体或半导体激光器,烧蚀靶材产生微小推力,其主要特点包括比冲高、冲量动态范围宽、最小冲量比特小、功耗低、能量耦合效率高,以及易于实现轻量化和数字化控制。在回顾相关文献的基础上,从激光烧蚀机理、微推力器结构设计、烧蚀推进性能、烧蚀靶材和靶结构等方面对激光烧蚀微推力器的研究进展和技术水平进行了系统的总结和评述,并指出激光烧蚀微推力器研究所涉及的关键问题包括：激光烧蚀的理论描述、星载激光器、微推力器的性能参数体系、性能参数测量以及微推力器的一体化设计等方面。     

入口条件对固体燃料冲压发动机推力和比冲的影响分析

在固体燃料冲压发动机性能分析基础上, 推导了某发动机的推力和比冲与入口流量和温度之间的关系式。然后通过数值模拟得出: 入口流量对推力和比冲影响大, 而对入口温度的影响则较小, 并定性讨论了产生这些影响的原因。同时, 理论分析和数值模拟所得结果比较吻合。本文的研究对于了解固冲的特性和导弹总体设计都有一定意义。