半导体激光烧蚀柔性基底含能工质特性研究

为解决激光烧蚀推力器在微纳卫星推进中的应用问题,本文旨在研究半导体激光对柔性基底含能工质带的烧蚀特性。针对不同工质层厚度的工质带,通过调节优化半导体激光器电流和脉宽等参数开展了激光烧蚀实验,研究了柔性基底含能工质的单脉冲冲量、比冲、冲量耦合系数和烧蚀效率等烧蚀冲量耦合特性,分析了激光器参数和工质层厚度对烧蚀冲量耦合特性的影响,得到了实现更高比冲的烧蚀工作条件。实验结果表明,在相同的激光器电流条件下,冲量随激光器脉宽的增大而增大,比冲随脉宽的增大而减小。在相同的激光器工作条件下,随着工质层厚度增大,工质带烧蚀的比冲增大,340μm厚工质带获得最大比冲在350 s以上,冲量耦合系数达到220μN/W以上。     

激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究

微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。     

纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究

为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1064 nm,脉宽8ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律.实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;A1,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为1.72×1010 W/cm2和2.98×1010 W/cm2时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6％.     

基于热力循环的激光微推力发动机特性研究

以微小卫星姿轨控为任务的激光微推力器是近些年激光推进技术应用研究的热点。在激光微推力发动机热力循环分析的基础上,研究影响激光微推进热力循环效率的因素,提出了通过改变激光功率密度和靶材掺杂特性来同时提高比冲和冲量耦合系数的方法,实验验证了激光功率密度和靶材掺杂对发动机性能影响的规律。结果表明,激光与靶材的特性共同决定了热力循环效率的高低,激光功率密度的提高能够增加产生激波波后的压力,一定程度上提高比冲,却会使冲量耦合系数下降;掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收,使比冲和冲量耦合系数都提高,而两者都能够一定程度上提高激光微推力发动机的热力循环效率。     

金属掺杂PVC靶材在两种激光辐照下的激光推进实验研究

为了研究各类工质在不同激光器作用下的性质,采用TEA-CO2以及YAG激光器,对纯PVC靶材以及纳米/微米金属颗粒掺杂的PVC复合靶材进行了烧蚀测试,发现各种靶材在两种激光照射下的性能相差各异。在YAG激光照射下,各种靶材测试的冲量耦合系数均大于在TEA-CO2激光照射下的测量值,而比冲则正好相反;使用TEA-CO2激光器下的推进效率略高于YAG激光器。通过对烧蚀率的测试,确认了各种材料在不同激光下的烧蚀深度不同,而掺入金属后的靶材可以有效地减小烧蚀深度。     

激光烧蚀碳掺杂液态工质推力性能实验研究

分别以碳掺杂的乙醇、甘油、单推-3和聚叠氮缩水甘油醚(GAP)为典型的液态工质,在不同能量激光注入的情况下,研究了烧蚀产物及其诱发的工质溅射,获得了推力变化规律。结果表明,溅射初期的高速喷射过程是推力形成的主要阶段。随后的溅射过程使质量流量增大,但对冲量耦合的贡献较小,进而使得整体推进性能下降。     

基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。     

脉冲波形对冲量耦合系数的影响

为了研究TEA CO2激光输出的脉冲波形对激光推进中冲量耦合系数的影响,通过激光技术手段,改变激光混合气体比例及压强,控制激光器脉冲输出波形,将激光的脉冲宽度压缩近50%.在此基础上进行的激光推进冲量耦合系数的实验测量和数值计算结果表明,对于大气呼吸模式TEA CO2激光推进而言,在不影响工质击穿功率密度的情况下,减小脉冲前段起击穿工质作用的尖峰部分占整个脉冲能量的比例,有利于获得高的冲量耦合系数.脉冲宽度大于二维运动的特征时间时,获得的冲量耦合系数也高于脉冲宽度偏小时所获得的冲量耦合系数.     

大气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验研究

研究了激光与铝靶相互作用过程中,大气中激光功率密度与铝靶获得的冲量耦合系数的关系,通过改变激光聚焦在靶面上的光斑大小,得到冲量耦合系数与激光功率密度的关系。实验结果表明,当入射激光功率密度为3.47×106W/cm2时,铝靶获得的冲量耦合系数最高。该入射激光功率密度最佳值与理论计算值6.14×106W/cm2符合得较好。用激光支持爆轰波(LSDW)与固体靶相互作用的二维模型理论计算得到的冲量耦合系数与实验结果比较,二者趋势相同,定量比较有较大差别,原因是所用激光光斑面积偏大,不能按照该理论的点爆炸模型来计算。     

纳秒激光毫米级光斑辐照典型金属材料冲量耦合特性

利用纳秒脉冲激光器对典型金属材料在毫米级烧蚀光斑尺寸下的冲量耦合特性进行了实验研究。基于典型扭摆测量系统测量激光烧蚀产生的冲量特性,采用局部最小二乘法平移拟合的方法,对扭摆振动产生的微小位移实验数据进行了预处理,避免了噪声对冲量测量的干扰。设计了一种毫米量级烧蚀光斑尺寸测量方法。在此基础上,实验获得了毫米量级光斑辐照金属靶材Al 5A06、TC₄、30CrMnSiA的冲量,研究结果表明,在相同能量密度的情况下,钛合金TC₄对应的冲量最大,TC₄获得的最大冲量耦合系数大于Al 5A06和30CrMnSiA,其对应的最优能量密度却是三种材料中最小的。为了分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响,估算了不同能量密度对应的羽流透射率,计算结果表明,当羽流透射率低于0.3时,大量的入射激光能量被羽流吸收,导致冲量耦合系数的下降。     

激光微烧蚀掺碳PVC推进性能研究

激光微烧蚀靶材产生的力学性能是表征激光微推进性能的重要指标,相关研究一直是激光微推进领域内讨论的热点。掺碳是一种提高激光与靶材耦合性能的重要手段,能够一定程度上改善激光微推进性能,不同掺杂程度所获得的推进性能也不同。采用单脉冲输出功率较低的半导体激光器和功率较高的YAG激光器,分别测量了不同功率密度和能量注入情况下,微...     

激光脉宽和气压环境对固体火箭推进剂点火反应程度的影响研究

在真空(10 Pa)和空气(10~5 Pa)环境下,分别用短脉宽(10 ns)和长脉宽(140μs)激光辐照固体火箭推进剂HTPB/AP/Al样品,利用电磁复摆测量了冲量值,获取了对应激光入射能量和样品质量迁移量。结果表明:在长脉宽激光作用时,比冲在真空中随功率密度提高而增长,在空气中受激光烧蚀带走部分能量的影响偏低;用短脉宽激光作用时,热化学反应作功贡献减少,比冲在真空中受等离子体屏蔽影响较低,空气中冲量耦合机制以LSD波作功为主。     

脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究

开展了脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究,即激光烧蚀光斑尺寸略小于碎片尺寸下的冲量耦合特性,对比实验研究了平面状碎片在激光大光斑辐照和小光斑辐照下的冲量耦合特性,以及大光斑辐照下光斑尺寸和形状因素对冲量耦合特性的影响规律,并结合实验研究结论验证了理论研究的合理性。研究结果表明:相同激光功率密度下小光斑辐照比大光斑辐照的冲量耦合系数高;大光斑辐照下冲量耦合系数主要受激光功率密度影响,光斑尺寸对冲量耦合系数的影响较小;采用大光斑辐照下冲量耦合系数的理论计算结果更接近于实验结果。上述实验研究成果对激光辐照不规则空间碎片理论研究具有一定的实验指导意义。     

激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究

首先分析了激光烧蚀过程中,对冲量耦合系数大小有影响的因素,然后利用简化的物理模型,对激光聚焦后直接烧蚀固体靶的情况进行了理论分析,并应用数值计算重点讨论了激光能量在靶物质中的不同分布对冲量耦合系数的影响。结果说明:能量的分布不是影响冲量耦合系数的主要方面,而靶物质材料和靶结构对冲量耦合系数会有较大影响。