激光引致水诱导空气击穿所获无约束流场演化过程的实验研究

流场演化过程是揭示激光推进机理的重要研究内容之一。利用纹影系统和PCO-HSFC 高速相机,首次拍摄了自来水诱导CO₂激光击穿空气产生的激波向空气和水中的演化过程。阐述了产生两次气蚀空穴的原因：初始时刻产生的空穴为激波作用于水面所致,第二次空穴出现在相机被触发后约8 μs 时,是激光烧蚀水蒸气作用于水面所形成的低压区。实验结果表明：击穿后流场向激光入射方向（空气中）演化较快,激波初速度较大,约为6 km/s;流场向水中演化相对较缓,激波初速度约为3.33 km/s。两者都服从指数衰减,分别在约73.368 μs 和41.649 μs 时衰减到声速。研究结果对于把水作为工质应用于激光推进有一定意义。     

三维针刺C/SiC在等离子焰中的烧蚀行为

采用CVI制备了三维针刺C/SiC复合材料,利用等离子烧蚀对复合材料的烧蚀性能进行了分析.结果表明:复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为131.3μm/s和74.2 g/s,对应的标准偏差分别为4.9μm/s和4.7 mg/s.微结构观察显示烧蚀表面不同区域其烧蚀机理不同,烧蚀中心以升华烧蚀为主,过渡区主要是升华烧蚀和等离子流的剪切剥蚀为主,而烧蚀边缘则以热氧化为主.     

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。     

CVD-SiC阵列结构对ZrB2/SiC涂层抗烧蚀性影响

采用飞秒激光在化学气相沉积(CVD)-SiC中间层表面制备不同尺寸的阵列,研究了阵列结构对ZrB₂/SiC涂层性能的影响。结果表明,随着激光刻蚀频次的增大,阵列结构的深度从30μm增大到150μm。采用氧乙炔烧蚀600 s,ZrB₂/SiC涂层烧蚀表面温度随CVD-SiC微结构深度增大而逐步降低,最低的表面温度达到1 700°C,下降了约200℃。烧蚀中心区域的颜色从白色过渡到浅灰色。对于激光刻蚀频次为5的试样,在600 s的单次烧蚀后,质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为-7.4×10^-5 g/s和-13.3μm/s。阵列结构增大了ZrB₂/SiC涂层与CVD-SiC中间层的接触面积,从而增强了导热性能,减少了热积聚,进而改善了ZrB₂/SiC涂层的抗烧蚀性能。     

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%。     

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。     

KrF激光对高速飞片的驱动特性研究

利用诱导空间非相干技术平滑的KrF准分子（248nm）激光驱动带有烧蚀层的平面靶，研究激光空间均匀性对产生完整飞片的影响，结果表明激光不均匀性在2％以下，能够产生完整的高速飞片，且完整飞片能够维持20ns以上不破裂；当激光不均匀性达到5％，激光引入流体力学不稳定性种子应很强，冲击波在靶内输运过程中不稳定性不断发展增强，到靶背时强到足以使飞片解体甚至气化，不能产生完整的飞片。为了获得尽可能高的飞片速度，采用激光与烧蚀层参数不匹配方法，使冲击波对飞片作多次加速。利用功率密度为1012 W/cm2的KrF激光与含50μm Kapton烧蚀层的5μm铝飞片作用，得到速度约10km/s的高速飞片，与模拟结果吻合得很好。     

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。     

高浓度颗粒流冲刷条件下硅橡胶和EPDM绝热材料动态烧蚀实验

利用X射线实时诊断技术(RTR)针对硅橡胶和EPDM绝热材料,开展了高浓度颗粒流冲刷条件下动态烧蚀实验研究,成功获得了绝热材料烧蚀表面退移过程的序列图像。研究表明:(1)在本实验条件下,硅橡胶绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～2s内迅速增加,2s之后瞬时烧蚀率略有下降并趋于稳定;EPDM绝热材料颗粒冲刷区域的瞬时烧蚀率在0～1s内迅速增加,1s之后瞬时烧蚀率趋于稳定;(2)相同冲刷条件下硅橡胶绝热材料抗颗粒流冲刷性能比EPDM绝热材料差,硅橡胶绝热材料不适合在高过载发动机中应用;(3)高浓度颗粒流冲刷条件下绝热材料的烧蚀率比常规条件下要严重的多,其机理主要是高温颗粒流对炭化层有强烈的机械剥蚀效应和热化学烧蚀作用。实验结果对硅橡胶和EPDM绝热材料烧蚀机理研究及烧蚀建模具有重要参考价值。     

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。     

飞秒激光能量密度对镍基合金重铸层和加工效率的影响

以航空发动机叶片制孔为导向,结合飞秒激光对单晶镍基高温合金材料的非热熔性损伤阈值(Φth1)和热熔性损伤阈值(Φth2)特征,研究了飞秒激光能量密度(0Φ44.2J/cm2)对制孔重铸层和加工效率的影响规律。研究结果表明:在Φth1ΦΦth2时,镍基合金经飞秒激光加工后加工侧壁没有出现明显的重铸物;在ΦΦth2时,加工侧壁开始出现重铸物,并随着能量密度的增加,重铸层厚度增大。在试验结果的基础上,建立了飞秒激光单脉冲加工深度与能量密度的定量关系。能量密度越高,飞秒激光单脉冲加工深度越大,加工效率越高。     

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.     

微克量级激光微烧蚀质量测量方法

激光微推进性能研究离不开比冲的测量,烧蚀质量测量的好坏一定程度上决定了比冲的测量精度。提出了一种激光微烧蚀质量测量方法——体积修正法,介绍了此方法的构建思路和原理,与平均质量法和体积估算法进行了比较分析,建立了激光微烧蚀质量测量装置,以透射式激光烧蚀黑纸靶为例,对实验结果进行了分析。研究表明:此方法能够有效测量微克、十微克量级的激光微烧蚀质量,测量精度较高,为激光微烧蚀质量的性能研究提供了一种简便、快捷的测量手段。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

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。     

激光微推进的靶特性研究进展

2003年,首款激光等离子体微推力器(micro-Laser Plasma Thruster,μLPT)应用于美国空军微小卫星姿态轨道控制,激光微推进技术越来越受到业内人士的广泛关注。总结了激光微推进的五种工作模式,并进行了简要分析,重点关注了激光微推进技术发展过程中的靶特性研究现状,介绍了靶材物态和靶材结构两个方面的推进性能研究进展,并对其进行了分析,对激光微推进技术的进一步发展形成了一些认识和建议。     

诱导轮形状对汽蚀特性的影响

作者通过对两个叶片的平板螺旋形诱导叶轮的汽蚀特性和叶轮内空泡发展进行了测试和可视化观察, 发现随着吸入压力的降低, 两个叶片上原来同样发展的空泡之间有时会失去平衡, 出现一个叶片的空泡急剧缩小, 而另一个叶片空泡随之增大, 这种交错叶片空泡现象, 并有可能导致扬程的急速下降。在此基础上, 作者进一步对叶片数, 叶片长度不同的 4种诱导叶轮进行了测试, 弄清了叶轮几何形状对上述现象发生和汽蚀性能的影响, 并对其原因作了初步的探讨。      

基于前缘凸结的推进泵叶片空化控制研究

为抑制推进泵空化不稳定引起的振动、噪声等危害,采用仿座头鲸鳍状肢前缘凸结的方法对推进泵叶片空化进行控制,通过水洞实验和数值模拟对前缘凸结的空化控制效果和机理进行了研究。结果表明,与原型泵相比,本文设计的仿生泵扬程得到了提升,且其效率损失小于2.5%;该仿生泵的前缘凸结会诱发涡结构,使叶片表面适度湍流化,造成空化区域的展向发展受到限制,空泡稳定性得到提高,但其也会导致波谷处存在低压区,造成仿生泵空化初生提前。总体来说,前缘凸结可以有效控制空化脱落和不稳定脉动,但凸结结构参数有待进一步优化以延缓由于波谷处局部压力较低而引发的空化初生提前。     

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。     

Experimental investigation of thermal effect on cavitation characteristics in a liquid rocket engine turbopump inducer

The objective of this paper is to investigate the effect of water temperature on cavitation characteristics in a turbopump inducer, a series of experiments at different temperatures have been conducted in a newly developed visualization test facility. It is found that higher temperature shows little influence on the non-cavitation performance and breakdown characteristic in the investigated range. The relationship between cavitation development and pressure fluctuation has been discussed in detail. Higher temperature displays a remarkable stabilization effect on the cavitation excited pressure. In particular, the inception cavitation numbers of both the super-synchronous rotating cavitation and synchronous rotating cavitation are decreased at higher temperatures, and the corresponding frequencies are not affected, while the amplitudes are distinctly reduced, and the occurrence range of synchronous rotating cavitation is significantly narrowed. A generalized Rayleigh-Plesset equation has been employed to account for the thermal effect on the bubble development, which may provide a deep insight in understanding the experimental results. Thermal effect is found to act as a remarkable dissipation mechanism to suppress the bubble growth, smooth the collapse. In particular, the excited pressure during collapse is smaller at higher temperatures, which may lead to the stabilization effect of high temperature in this study.