地基激光辐照近地轨道小尺度空间碎片作用规律研究

通过研究脉冲激光与铝靶碎片的膨胀运动以及冲量耦合的相互作用,仿真分析了铝靶碎片在等离子体作用下的速度和压力时空分布规律以及冲量耦合系数与激光功率密度之间的定量关系;在此基础上,建立了基于地基的脉冲激光辐照近地轨道小尺度空间碎片动力学变轨仿真模型,模拟研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。结果表明:在最优冲量耦合系数作用下,当脉冲数目达到180次轨道偏心率为0.071时,基于此文的条件可实现近地轨道小尺度空间碎片的有效移除。预期成果可为高能激光移除近地空间碎片技术的应用提供技术指导。     

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。     

空间碎片天基激光辐照下的轨道特性仿真分析

厘米级空间碎片对在轨航天器的威胁极大,高能激光辐照使其降轨进入大气层烧毁是近年来的研究热点。针对空间站附近厘米级空间碎片,利用天基平台搭载高能激光器,提出了多脉冲激光降轨的计算方法。仿真结果表明,天基平台激光清除厘米级空间碎片的前提是空间碎片处于清除窗口,清除窗口的选择是能否实现空间碎片降轨的关键;根据已有的激光器及天基平台参数,空间碎片多脉冲激光降轨可以达到清除效果;多脉冲降轨结果表明,空间碎片偏心率变化较大,造成其半长轴与远地点变化幅度很小而近地点变化幅度很大,而轨道倾角变化幅度很小;当降轨幅度相同时,需要施加的多脉冲速度增量总和与一次性施加的单脉冲速度增量基本相同,但降轨效果相差较大,不能通过一次单脉冲计算近似表示多脉冲降轨效果。通过上述问题的研究,为进一步实现空间碎片天基激光探测清除一体化仿真研究奠定基础。     

小尺度空间碎片天基激光清除过程研究

选取LEO区域中典型材料的小尺度空间碎片,建立了相应的靶材模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对高能脉冲激光作用下典型空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟。研究结果表明,设定的天基平台激光站能在一个飞行周期内辐照典型材料碎片达到降轨清除的目的,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

天基激光清除小尺度空间碎片变轨模型研究

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片,分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟,并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明,在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

湍流作用下地基激光清除空间碎片的影响规律

在大气湍流作用下的基础上建立了地基激光辐照小尺度空间碎片在大气中的传输模型。利用该模型对高能脉冲激光远场激光参数与天顶角的关系作了仿真分析,论述了不同束散角下大气湍流对远场激光参数的影响规律;在此基础上,建立了高能脉冲激光在靶表面的冲量耦合模型,对铝靶在激光辐照下的冲量耦合系数与天顶角的关系进行了模拟分析,并讨论了受大气湍流影响的冲量耦合系数变化量与激光脉宽的关系。     

优化的一维激光清理空间碎片流体力学模型

优化了一维纳秒脉冲激光等离子体化空间碎片的流体力学模型。流体力学模型分为等离子体状态方程求解、空间碎片与激光能量耦合计算、激光推进冲量耦合系数计算三个模块。在各模块实现的基础上,重点分析了碎片等离子体温度、速度、压强、密度的时间和空间分布规律。考虑到等离子体屏蔽效应对激光效能的影响,提出等离子体对激光逐层吸收的计算方法,更准确分析激光功率密度和脉宽对激光清理空间碎片效能的影响,提出了获取最优激光效能的方法。最后与实验经验公式解相比较,验证了优化模型的正确性。     

用高功率地基激光排除空间碎片

考察了采用地基激光器而无需轨道反射镜的方案排除空间碎片的可能性。考虑的技术要点包括大气传输损耗，波前畸变的自适应光学矫正，激光视场的限制以及激光感生冲量产生。从物理因素考虑，要求激光器具有兆瓦级输出，可长时间运转，且其工作汉长大气中具有良好的透射特性。     

脉冲激光小尺度自聚焦过程中不同空间位置的时间演变研究

基于宽带啁啾脉冲的小尺度自聚焦形成过程,利用包含时空项的非线性薛定谔方程进行数值计算,比较分析了不同空间位置(特别是空间调制峰位置及调制谷位置)的时间演变过程,发现不同空间位置的时间演化过程完全不一样。在小尺度自聚焦过程中,调制峰处的脉宽随传输距离的增加而减小,当调制峰值处的强度达到最大时,其脉宽达到最小值;而在调制谷位置处的脉宽则一直处于展宽状态。分析了脉冲啁啾对不同空间位置时间演变的影响规律,负啁啾加速了调制峰位置处的脉冲压缩,却抑制了调制谷位置的脉冲展宽;而正啁啾则起相反的作用。     

自由振荡激光天基清扫空间碎片机理研究

在绕地轨道上残留着大量的空间碎片,这些人类航天活动造成的太空污染已经严重威胁到太空飞行器的安全.其中,直径在1～10 cm之间的碎片具有致命的潜在危害,是急需解决的麻烦.激光清扫空间碎片也愈来愈引起科学领域的关注,其中天基脉冲激光是清扫这类小型空间碎片的有效技术途径之一.由于现有方案中的天基超短脉冲、超大能量、紧凑可靠...     

飞秒激光多脉冲烧蚀金属铁的数值模拟

从表面微结构加工需求出发,研究了超短脉冲对金属材料的烧蚀作用。利用双温方程推导了多脉冲辐照分析模型,分别对单脉冲及多脉冲烧蚀金属铁的温度变化规律进行了定量计算和比较。结果表明,激光能量密度、脉冲宽度、脉冲时间间隔是影响电子/晶格温度变化规律的几个主要因素,并最终绘制出了在不同的激光能量密度烧蚀下,材料达到烧蚀阈值需要的脉冲个数,以此为加工过程中的激光控制提供理论依据。     

减小列阵光学系统小尺度不均匀性的方法研究

应用衍射积分理论,通过详细的数值计算分析,讨论了用于减小列阵光学系统小尺度不均匀性的几种技术方法.所得结果与实验相符,对均匀照明光学系统的设计有参考意义.     

地基激光测距系统观测空间碎片及其探测能力研究

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术,激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展,研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等,国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统,实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km,目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2,具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程,结合实际激光回波数据,综合考虑空间碎片过境时段等,构建了地基激光测距系统探测仿真模型,研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力,可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测,与实际测量结果相符,验证了仿真模型的合理性,为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。     

基于UML和CORBA的空间应用仿真研究

为了研究空间应用分布式仿真,在此介绍了用UML技术和CORBA技术开对激光清除空间碎片这一空间应用系统的设计和开发过程。用UML对系统进行了分析,确定了系统的用例,流程和相应的类。最后使用CORBA技术实现系统的分布式仿真。结果表明,用此方法开发的系统具有可重用性高、可维护性强和移植性好的特点,它为更多的后续系统开发提供了一定的方法和技术支持。     

在TEA-CO2强激光脉冲作用下Hg0.8 Cd0.2 Te晶片表面的组分变化

利用场发射扫描电子显微镜对TEA-CO2强激光脉冲辐照的Hg0.8Cd0.2Te晶片表面进行了观察,并利用电镜自带的能谱分析仪对其表面进行了成分分析.在单脉冲能量为1.91 J,峰值功率密度为2.63×107W/cm2的脉冲CO2激光辐照下,晶片表面呈现出熔融迹象,且晶片表面的化学组分比发生明显的变化.理论与实验研究结果表明:激光急速加热使晶体表面的Hg-Te键破坏,从而导致Hg损失,而Hg损失程度与热作用过程的时间有关.随着脉冲作用次数的增加,多脉冲的连续作用使Hg损失加剧,晶片表面成分变化更加突出.     

532 nm/1 064 nm激光烧蚀铝靶冲量耦合特性实验研究

激光清除空间碎片技术在厘米级空间碎片清除中具有重要的应用前景。进行了激光烧蚀典型空间碎片材料的冲量耦合特性实验研究。实验中采用532 nm/1 064 nm波长,8 ns/15 ns脉宽的激光烧蚀金属铝靶材,运用扭摆测试系统测量了烧蚀冲量,并分析了不同激光参数对冲量耦合系数的影响。实验结果表明,铝靶冲量耦合系数随着激光功率密度的增加是先上升后下降的变化趋势,存在最优冲量耦合系数;激光烧蚀铝靶过程以气化机制为主时,减小激光波长或是增加脉宽都可有效提高冲量耦合系数;烧蚀过程以离化机制为主导时,实验结果表明532 nm波长激光的等离子体屏蔽较弱,在等离子体形成初期实现最优冲量耦合。     

横向脉冲放电硫双原子分子气体激光介质小信号增益的测量

对加反射镜测量放大自发辐射方法测量小信号增益系数的物理模型作了修正。给出了修正后小信号增益系数的计算公式。测量了横向脉冲放电Ｓ２气体激光介质的小信号增益系数，最大值为０．０８２ｃｍ－１。并对计算结果作了分析和讨论。