基于图像的激光微尺度烧蚀质量估算方法

激光微尺度烧蚀下的烧蚀质量是激光微推进系统中评估比冲等性能参数的重要物理量,文中在利用扫描电镜得到的烧蚀坑图像的基础上,基于灰度表面重构形貌方法,建立了微尺度烧蚀坑形貌三维模型重构算法;针对图像噪声影响,对图像进行分段平滑,有效地解决了量化误差和灰度模糊对重构形貌的影响,实现了烧蚀坑体积估算.结果 表明:所提出的方法能够快速有效地重构激光微尺度烧蚀下烧蚀坑形貌的三维形状,进而计算其烧蚀质量.     

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。     

高重频纳秒脉冲激光光子推进冲量特性研究

随着激光推进技术的发展,激光辐照光压推进技术成为深空探测的推进技术热点。目前激光光子推进以连续激光远距离传输辐照光压推进为主,而短脉冲激光具有峰值功率高的优势,因此,提出了一种纳秒高重频脉冲激光光子推进技术。利用扭摆微冲量测量装置研究了高重频纳秒脉冲激光光子推进的冲量特性。实验中谐振腔输出的激光波长为1 064 nm,脉宽为160 ns,重频为10 kHz。输出耦合镜采用反射率为90%的反射镜,实验过程中腔内对应的激光功率范围为144 W～414 W。对于采集的扭摆原始数据采用局部滑动拟合方法,较好实现了数据的平滑降噪处理。实验结果表明,光压冲量随输出激光功率的增加呈线性增加。通过进一步计算,分别获得了单脉冲激光对应的光压冲量和脉冲时间内的平均光压推力。研究成果为空间推进中的激光辐照光压推进技术的发展提供了技术参考。     

超深水平井钻井液循环温度场模拟计算与分析

目的钻井液温度对钻具进给和导向工具的选择具有重要意义,为了有效指导深层页岩气水平钻井过程,获得准确的钻井过程全井段温度分布,进行了深层钻井温度场研究。 方法基于能量守恒和热阻法建立了井筒流动传热模型,采用有限差分方式,计算获得钻井过程全井段温度剖面,准确预测了钻井过程钻井液温度场,误差在5％以内。分析了钻井液流量、入口温度和循环时间对井筒温度场分布的影响规律。 结果循环钻井液整体温度随循环时间的增加而下降;提高钻井液循环流量可有效降低井筒内温度,流量由8 t/h提升至16 t/h,井底温度降低10 ℃;钻井液入口温度对深层钻井的长水平段影响较低,入口温度变化20 ℃,井底温度仅改变3 ℃。 结论采用延长循环时间和增加循环钻井液流量的方法可以显著提升钻井过程的冷却效果。      

Micro-impulse and plasma plume produced by irradiating aluminum target with nanosecond laser pulses in double-pulse scheme

The micro-impulse generated by ablating an aluminum target in double-pulse laser bursts with different interpulse delays was investigated using a torsion pendulum. The plasma plume was simultaneously visualized using high-speed photography to analyze the coupling mechanism of the ablation impulse. The experiment was carried out using a pulsed laser with a pulse width of 8 ns and a wavelength of 1064 nm. The experimental results show that an impulse with an interpulse delay of 60 ns is roughly 60% higher than that with no delay between the two pulses, when the energy of both laser pulses is 50 mJ. Therefore, double-pulse schemes could enhance the ablation impulse under certain conditions. This is because the ablation of the first laser pulse changes the optical properties of the aluminum target surface, increasing the absorptivity. However, the ablation impulse is reduced with a time delay of 20 ns when the energy of both laser pulses is 100 mJ or 150 mJ. It can be concluded that the plasma produced by ablating the aluminum with the first pulse shields the second laser pulse. To summarize, the experimental results show that different delay times in a double-pulse scheme have a significant effect on the ablation impulse. The study provides a reference for the optimization of the parameters when laser ablation propulsion with a double-pulse scheme is applied in the fields of space debris removal, laser ablation thrusters, and so on.     

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％.