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。     

激光推进原理与技术

激光推进是激光技术与航空航天技术同时得到较大发展后，于７０年代初提出来的一种全新的推进方式，激光推进可以同时克服化学推进中自然燃烧极限的限制和核能推进中推力／质量比率低的缺点，可以获得以２００００Ｎ．ｓ／ｋｇ的比推力，推力／质量比率为化学推进的典型值。文中报道了激光推进的基本原理与技术，发展概况，主要问题及应用前景等。     

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。     

液体工质激光推进性能研究评述

工质的选择对于激光推进任务的完成具有举足轻重的作用。液体工质以其自身独特的优点已经引起了国内外学者的浓厚兴趣。评述了国内外液体工质激光推进性能的研究进展,指出了研究工作中存在的突出问题,探讨了提高液体工质推进性能的可能途径,提出了将尺寸较小的水滴用作工质从而提高推进性能的方法。研究结果表明,液膜和尺寸较小的水滴是提高液体工质推进性能的有效途径。     

激光水推进的机理研究及参数优化

为了研究双层结构靶的激光水推进过程中各阶段能量转移和转化的物理机制,将一个激光脉冲推进过程划分为四个阶段,并针对双层结构靶的特点,提出了"爆炸-连续爆炸推进模型",利用该模型定性解释了实验结果。实验显示,激光水推进得到的冲量耦合系数比其它推进模式高一到两个数量级。定义了金属粒子与水分子单次碰撞的能量传递率κ为表征推进效率的一个参量,计算不同的金属基底材料对应的κ值:A l为96%,Fe为73.6%,Cu为68.8%,该结果与实验得到的Cm值变化趋势一致。通过对模型的分析,得出选择原子量与水分子量接近的金属,可以得到更好的推进效果;并存在一个与基底材料和激光参数对应的水层最优厚度。     

激光推进研究进展

 激光推进以其比冲高、成本低等优点受到了众多研究者的广泛关注。简单介绍了国外的激光推进研究计划及其发展历程。总结了激光推进的最新研究进展,分析了激光器、高能激光传输和控制系统、喷管抗热力冲击防护等相关研究工作的技术成熟程度,讨论了激光推进研究工作的发展趋势,描述了激光推进广阔的应用前景,指出了深化激光推进机理研究等亟待解决的关键问题。     

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。     

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。     

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。     

液体烧蚀激光推进推力形成机理实验方法

为揭示液体烧蚀激光推进推力形成机理,提出了一种有效的实验方法,即建立推力加载过程与流场演化过程的时间关联性,寻找物理现象与推力特征之间的关系。为实现这种方法,建立了一套基于高速相机和高频响压电式力传感器的实验系统,并实现对激光器、闪光仪、高速相机和推力信号采集系统的工作时序的精确控制。实验结果表明,与国外相关文献提供的实验系统相比,依据本方法所建系统可以提高实验研究效率和精度,为分析液体烧蚀所形成推力的机理提供了一种可靠的实验方法。     

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。     

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。     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

CO2脉冲激光与气体相互作用实验

实验研究采用波长为10.6μm的CO2脉冲激光器,N2,He,CO2等三种纯净气体及上述气体的相互混合气作为推进工质时,通过实验舱内的冲击摆装置对抛物形光船获得的冲量耦合系数Cm进行了测量。实验发现气体工质的获得的冲量耦合系数Cm随气压增高而增大,通常气体工质的分子量越大,冲量耦合系数Cm越大;在低气压条件下,分子量较大的气体所占的比例越高,混合气获得的冲量耦合系数Cm越高;在高气压条件下,混合气体工质获得的冲量耦合系数与混合气体的种类及比例密切相关。     

激光推进火箭发动机吸收室的数值模拟

以轴对称非定常欧拉方程为基础，建立了激光推进火箭发动机吸收室内纯气相单组分、以激光等离子体为内热源的流场模型，用MacCormark预测－校正格式编写了模拟计算程序；并对连续波和连续脉冲两种激光输入方式的激光推进火箭发动机的内部流场分别进行了模拟计算，得出了发动机相应的内部流场的混度、压强、流线及马赫数的分布情况。对计算结果进行了分析，并讨论了单点聚焦加热方式对发动机性能的影响。为进一步的激光推进数值模拟研究奠定了基础。