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。     

液体靶材激光推进研究进展

综述了近10年来国内外液体靶材激光推进的主要研究成果。分析了液体靶材激光推进的一般机理,得出了溅射是液体靶材推进性能主要制约因素的结论。提出了改变靶材结构形态和增大靶材黏度从而改善推进性能的两种有效途径,依据不同途径依次评述了体状、膜状、滴状和高黏度液体靶材的性能特点,并总结出了己烷炮靶、雾化水滴和高黏度溶液这三种综合推进性能较好的液体靶材。最后指出了复合靶材将成为未来液体靶材激光推进的一个重要发展方向。     

激光烧蚀微推力器聚合物靶材的烧蚀特性

以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用微尺度羽流观测系统对GAP靶材的喷射羽流图像进行了观测,分析了掺杂浓度、靶材厚度及激光烧蚀模式对GAP烧蚀特性和推进性能的影响。结果表明,在激光烧蚀过程中,未掺杂吸收剂的GAP靶材利用率非常低;掺杂纳米碳粉后,靶材的推进性能显著增强,但对靶材厚度的依赖性较强,厚度较薄的掺杂纳米碳粉的GAP适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材;掺杂红外染料后,聚合物的气化程度显著提高,透射式下厚度对羽流喷射的影响较小。红外染料适合作为反射式激光烧蚀微推力器聚合物靶材的掺杂剂。     

掺杂聚合物的激光微烧蚀推进性能研究现状

基于激光微烧蚀聚合物产生微冲量这一原理,研究10^-5 N·s至10^-7N．s量级冲量的激光微推力器是当前一个研究热点。聚合物对入射激光的吸收率往往很低,掺杂是提高聚合物的激光微烧蚀性能的一个重要途径。回顾了掺杂聚合物的推进性能实验,分析了不同掺杂下推进性能的实验结果,认为以碳、红外染料或者含能材料作为掺杂剂可以获得较好的推进性能参数,含能聚合物是较好的备选靶材。为国内掺杂聚合物激光微推进性能的研究提供了有益参考。     

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。     

高能应变率下钛合金靶材层裂模拟研究

针对激光诱导冲击波的力学效应,建立了TC4钛合金靶材在单脉冲纳秒激光和单脉冲飞秒激光加载下的有限元仿真模型,分别分析了纳飞秒激光加载下的TC4钛合金靶材层裂与靶材厚度的关系。仿真结果表明高能激光加载下拉应力以及材料表面发生的形变都与靶材的厚度有关,因此层裂程度与靶材厚度相关,表现为TC4钛合金靶材厚度越大越难以发生层裂。对于纳秒激光,峰值压强为6.945 GPa的条件下,靶材厚度在0.3 mm和0.8 mm时,靶材发生层裂;当厚度为1 mm时,材料发生形变。对于飞秒激光,峰值压强为41.33 GPa的条件下,靶材厚度在0.01 mm时靶材破损;靶材厚度为0.05 mm时发生形变。     

纳秒激光烧蚀液态工质冲量耦合特性研究

激光微推进技术是利用激光与物质相互作用产生的力学效应实现推进的一种新的激光动力的电推进技术。液态工质是激光微推进工质选择的最新热点,其与激光相互作用所形成的冲量耦合特性决定了液态工质激光微推进性能的好坏。利用激光干涉差动测量微小冲量的扭摆装置,以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、单组元凝胶推进剂(单推-3)和甘油为工质,测量注入不同激光能量条件下,所形成的冲量和冲量耦合系数大小,进而针对冲量耦合性能较好的GAP 工质,测量了比冲和烧蚀效率。结果表明:液态GAP 冲量耦合特性较好,冲量耦合系数一般在500 uN/W 以上,最高可达1 493.0 uN/W,但是,比冲和烧蚀效率较低,比冲最高仅为140 s,烧蚀效率为37.6%。     

毫秒激光致固体靶材熔融喷溅的比较实验研究

为了研究毫秒激光致硅靶的熔融喷溅机理,采用阴影法,通过高速CCD获得了毫秒激光与固体靶材（硅靶和铝靶）相互作用的序列阴影图,研究了毫秒激光致固体靶材的融熔喷溅过程。实验上对比了毫秒激光致硅靶和铝靶熔融喷溅过程的不同,并对毫秒激光致固体熔融喷溅形成的机制进行了讨论。根据两种靶材融熔喷溅机理不同,解释了两种靶材融熔喷溅物的形貌、喷溅角度、喷溅物分布和喷溅物亮度不同的原因。结果表明,毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程,但气化强度和熔融喷溅物的形态、亮度均不相同;激光作用硅靶时,作用区域所产生的气化现象不明显,熔融喷溅物呈液滴状,其亮度强于背景光,熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角的最大值为45°,熔融喷溅物分布在其间;而激光作用铝靶时,作用区域的铝靶所产生的气化现象更加明显,熔融喷溅物呈线状不透明流体,其亮度低于背景光,熔融喷溅方向与靶材前表面法线所成角度为20°,熔融喷溅物分布在熔融喷溅方向所在的直线周围。该研究对激光加工技术是有帮助的。     

强激光辐照探测器材料力学效应的解析研究

当探测器材料受激光辐照时,由于吸收激光的能量,从而在材料体内形成一个不均匀分布的温度场,由于材料是连续分布的介质,其各部分不能自由地膨胀,相互制约,从而产生热应力。一旦靶材中产生的热应力超过靶材的破坏强度,便会使材料造成永久性的损伤破坏。当辐照激光功率密度不高时,产生的热应力对靶材的破坏是一种十分重要的破坏机制。采用解析方法,研究了连续波化学激光辐照探测器材料时产生的温升及热应力,讨论了不同激光参数（ 强度、波型、波长及脉冲持续时间） 与温度变化及热应力之间的变化关系,以及造成探测器材料热应力损伤的激光强度阈值。     

剩余吸收层对激光冲击效果影响的实验研究

激光冲击过程中,剩余吸收层对冲击效果影响显著,但其影响规律少有人关注。文中选择厚度、材质不同的材料作吸收层,实施激光冲击,控制激光参数,使得靶材表面留有剩余吸收层。通过表征靶材表面冲击区域凹坑尺寸、力学性能,以及直接检测冲击时靶材背面的冲击波信号,研究剩余吸收层对冲击效果的影响规律。结果表明:剩余吸收层会显著衰减冲击波,进而削弱靶材的冲击效果;对确定的约束层和靶材,存在具有最佳声阻抗值的理想吸收层,使得作用于靶材的冲击波强度最大;激光冲击时,为获得好的冲击效果,必须根据约束层、靶材等,选择合适吸收层,优化吸收层涂覆厚度。文中结果为激光冲击时吸收层材质和厚度的选择提供了依据。     

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。     

激光脉冲波形对推力器性能的影响

激光推力器性能优化是激光推力器研究的重要组成部分。受硬件条件的限制,激光推进领域激光脉冲时间波形对推力器性能影响的研究并未广泛展开。以两台CO2激光器的实际脉冲波形为基准,建立了两组激光能量输入模型,其波形时间分布相似,单脉冲能量相同,但脉冲持续时间及峰值功率不同。数值计算比较了不同脉冲波形下抛物型激光推力器的性能,结果表明:峰值功率和脉冲持续时间是影响推力器性能的重要参数,高功率短持续时间的脉冲波形更有利于提高冲量耦合系数和推力;两种实际脉冲波形的冲量耦合系数数值计算结果分别为40.9×10-5N.s/J,30.0×10-5N.s/J,与文献报道实验测量结果基本吻合。为激光推进CO2激光器的脉冲波形设计提供支持及研究思路,具有一定参考价值。     

强激光加载真空中铝靶冲量耦合的数值模拟

为了获得强激光加载真空中铝靶的冲量耦合系数,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参量时气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合得较好。结果表明,在等离子体条件下,冲量耦合系数随着激光功率密度的增大而减小。     

脉冲数目和重复频率对纳秒激光推进的影响

以抛物形点聚焦激光推进器模型为研究对象,数值模拟了脉冲重复频率在2~50Hz范围内吸气式多脉冲纳秒激光推进的流场演变过程,分析了脉冲数目和重复频率对推进性能的影响。结果表明:随着脉冲数目的增加,喷管内气体密度减小、温度升高,导致平均冲量耦合系数下降,但纳秒脉冲激光作用获得的平均冲量耦合系数明显高于微秒脉冲激光;相同脉冲数目条件下,随着脉冲重复频率的增大,流场恢复时间缩短,使得流场状态不能及时恢复,导致平均冲量耦合系数下降,其中脉冲重复频率f10 Hz时的下降趋势明显大于f10 Hz。     

用于测量激光烧蚀下靶材获得冲量的方法

强激光与固体靶物质相互作用产生的等离子体膨胀对靶有强烈的反冲作用,这就是激光等离子体推进的基本思想。固体靶获得冲量大小的测量在研究冲量传递效率过程中有重要作用。采用一种悬摆法和光电测速法相结合的测量方法对激光等离子体膨胀时靶摆动的周期、角速度进行了实验测量,结合测试装置的几何结构和流体力学理论得到了有空气阻力影响下靶的摆动方程,并将实验测量的靶摆动周期与由摆动方程计算的结果进行了比较,两者之间的相对误差小于0．5％,即这一摆动方程能较精确地描述靶的摆动过程,采用此摆动方程和实验测量的靶摆动角速度求得了靶的冲量。理论和实验研究结果表明该测试方法具有结构简单、操作方便、测量精确度高等特点。     

不同激光参数与真空中铝的冲量耦合

冲量耦合是高功率激光烧蚀材料过程中的一个重要物理现象,成为许多应用研究的物理基础,而激光对材料的冲量耦合大小直接与所采用的激光辐照参数密切相关.在真空中,冲量耦合仅由蒸发波决定,反冲压力存在时间主要取决于激光脉冲维持时间,因而冲量计算须考虑材料的非定常气化过程.利用非定常透明蒸汽模型,研究了真空条件下不同波长和不同脉宽激光与铝靶作用时的冲量耦合系数及随入射激光功率密度的变化关系,计算结果与实验结果符合较好.