激光等离子体点火在航空航天动力系统的应用

激光等离子体点火以其点火位置和时序方便可控、工况适应性好、电磁干扰小、启动快、可实现重复点火等优点，成为航空航天动力系统极具潜力的一种点火技术。介绍了激光等离子体点火的技术特点及其基本物理过程；其次，回顾了激光等离子体点火在航空航天动力系统应用的研究现状，尤其是哈尔滨工业大学近年来取得的研究成果；最后，分析了激光等离子体点火面临的问题，并对其发展前景进行了展望。分析表明，激光等离子体点火在无毒非自燃推进剂的火箭发动机和碳氢燃料的超燃冲压发动机的可靠重复点火上具有广泛的应用前景，但要实现工程应用，仍需要解决激光点火器与航空航天动力系统的一体化设计、激光点火器的小型化和工程化等问题。     

用于激光诱导等离子体点火技术的激光源研究进展

激光诱导等离子体点火是一种新颖的发动机点火方式,这种技术点火位置精确可控,点火延迟时间短,无烧蚀作用,还可实现同时多点点火,能够提高发动机的燃烧效率,具有良好的发展前景。主要针对用于激光诱导等离子体点火技术中的核心元件激光光源的发展状况及最新成果作了全面的综述,并对该种类型激光器的发展前景进行了展望。     

激光等离子体和烧蚀对含能材料的激光点火过程的影响

通过测试激光点火的延迟时间、等离子体电荷通量和等离子体对激光的吸收能力，研究了激光等离子体和烧蚀对激光点火过程的影响。实验采用的含能材料为B／KNO3(m(B)：m(KNO3)=40：60)，外加5％的酚醛树脂，激光器为脉冲宽度为680μs的Nd：YAG固体激光器。实验结果表明等离子体密度随激光能量的提高而增大，而且激光等离子体的电荷通量大于燃烧流的电荷通量。当激光能量密度低于某一临界值时，点火延迟时间随激光能量密度的提高而线性变短，然而激光能量密度超过该临界值后，激光点火延迟时间保持恒定。在实验条件下，激光等离子体几乎不吸收入射的激光能量，但是点火延迟时间的变化规律表明了烧蚀会阻碍激光能量向含能材料注入。     

快点火超强激光等离子体相互作用研究

为研究惯性约束聚变（ＩＣＦ）快点火的可能性,对相对论参数范围内激光等离子体相互作用作了大力研究。用超强激光系统和“网络粒子数”（ＰＩＣ）模拟编码,研究了相对论激光自聚焦,超热电子、离子和中子产生。实验用具有１０５３ｎｍ激光波长、５０Ｊ能量和０．１～１ｐｓ脉宽的超强激光完成,激光强度为１０＾１９Ｓ／ｃｍ＾２。大多数激光批靶在具有１００ｕｍ等离子体标尺长度的等离子体条件下进行。在预等离子体内激光脉行为     

可扩展至激光聚变点火的快加热

以短激光脉冲对被压缩聚变燃料进行快速加热，是产生核聚变能的一条有希望的途径[1]，已用新型快点火结构的实验规模进行演示[2]。本文描述将此系统加以改进，以更高功率的脉冲拍瓦(1015 W)激光产生快加热芯等离子体，它可以扩展至满尺度点火，大大增加聚变活动，同时在这些高许多的激光能量下仍然保持高加热功率。此项研究结果使我们在实现较廉价的满尺度快点火激光装置上又向前走近了一步。在先进激光聚变点火中[3,4]，用拍瓦激光产生的高密度、高能量电子瞬时加热被压缩聚变燃料，以高耦合功率使之达到点火温度[5]。日本以一台拍瓦激光…     

二极管激光诱导B /KNO3 点火的发射光谱研究

研究了二极管激光诱导含能材料点火的化学反应机理,建立了时间分辨光谱测试系统,测量了在激光作用下B /KNO3 的光谱发射历程,探测到了二极管激光作用下一些中间产物,而且可以观察到二次点火现象。实验和计算结果表明: B /KNO3 在激光作用下的点火机理属于热点火机理。     

二极管激光诱导B /KNO3 点火的发射光谱研究

研究了二极管激光诱导含能材料点火的化学反应机理,建立了时间分辨光谱测试系统,测量了在激光作用下B/KNO3的光谱发射历程,探测到了二极管激光作用下一些中间产物,而且可以观察到二次点火现象。实验和计算结果表明:B/KNO3在激光作用下的点火机理属于热点火机理。     

激光强度对含能材料点火的影响

从激光点火的热作用机理出发,运用传热理论,采用简化模型和近似方法,分析推导激光强度对含能材料点火的影响,得出激光二极管点火时间 ｔｉ 与激光功率密度 Ｉ０ 的关系,进而得到激光二级管点火能量 Ｅｉ 与 Ｉ０ 的关系,并和实验结果作了比较。结论： Ｅｉ 随 Ｉ０ 的增大而变小,理论与实验结果较吻合。     

激光点火技术综述

综述了激光点火技术的原理、系统组成及最新进展.讨论了影响激光点火的因素.提出了一种小型化激光多点点火系统构想,将微机械光开关、微机械分光器等微电子机械系统器件引进到激光点火系统中,提高了激光点火系统的安全性,减小了体积.指出现阶段激光点火技术遇到的困难,未来研究工作应关注点火过程的理论研究及降低点火能量阈值的方法.     

激光点火过程的数值模拟

根据激光点火的热机理，建立了激光点火过程的数学模型，并就Ｍｇ／ＮａＮＯ３点火药的激光点火过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果和规律有较好的吻合。     

基于半导体激光合束技术的高效点火光源研究

随着半导体激光技术的快速发展,以半导体激光为核心光源的激光点火技术得到越来越广泛的应用。本文开展了高效激光点火光源的研究,设计出一种单光纤双波长输出的光学结构,将高功率976 nm点火激光和低功率1310 nm检测激光通过空间合束以及波长合束技术耦合到芯径为105μm,数值孔径(NA)为0.22的光纤中,获得了输出功率大于10 W的976 nm点火激光以及输出功率大于1 m W的1310 nm检测激光,其中高功率点火激光的耦合效率超过90%;通过自聚焦透镜对出纤激光进行光束整形,与自由输出光束相比,整形后出射光斑发散角减小了,入射到点火药剂上的光功率密度增大了,点火效率提高了。实验结果表明,所设计的分光镜膜系以及光路结构可实现光路自检以及高功率点火激光的输出功率同步自检,满足该领域对于点火光源高效率、高可靠性的应用要求。     

含能材料激光点火的氧平衡问题研究

实验研究了含能材料激光点火的氧平衡问题。对Zr/KClO4 等的临界激光点火能量的测定实验表明,锆与高氯酸钾的质量比对Zr/KClO4 的临界激光点火能量阈值有明显影响,在其他条件、因素相同的情况下,当偏富氧配比时,有利于激光点火,即点火的阈值能量低,或者说含能材料的激光感度较高。     

内燃机激光多点点火技术研究进展

稀薄燃烧能够提高内燃机的热效率并降低污染物的排放, 但稀薄燃烧的火焰传播速度慢且在高压下易出现局部淬火现象。激光诱导火花点火能够有效解决燃料在低当量比和高压下燃烧遇到的问题，此外激光点火能够实现多点点火从而缩短燃烧时间并增大燃烧室压力, 相较于传统的电火花塞点火技术具有很大优势。锥形腔、衍射透镜、空间光调制器和达曼光栅均已被用于实现多点激光诱导火花点火。归纳了多点激光诱导火花点火的几种技术途径，讨论了内燃机多点激光诱导火花点火的研究状况和最新成果。对实现多点激光诱导火花点火的几种方法进行了评价，并指出了每种方法在多点激光诱导火花点火中的优势和需要解决的问题。在此基础上，对内燃机激光多点点火技术的研究前景进行了展望。     

激光点火检测系统的研究

本文设计了激光点火装置的光路健康度检测与内窥式光纤成像系统,用于对点火光纤光路和点火过程的实时监测。该设计大大提高了激光点火系统的可靠性、安全性,为激光点火技术实用化、产业化提供了保证。     

激光二极管点火机理研究

通过理论分析、实验和数值计算研究了激光二极管点火的热作用机理，分析了点火的临界值及影响因素。一般情况下，含能材料的激光二极管点火机理主要表现为热作用；激光功率密度是影响点火的重要因素。     

凝聚态自反应材料激光点火理论模型

基于热理论建立了凝聚态自反应材料的一维激光点火理论模型,并对其作了解析以揭示点火延迟时间与激光处理参数和材料特征之间的关系。尝试进行了激光点燃Ni-33．3at％Al粉末压坯的实验,并将实验值与计算值做了对比以验证模型的合理性。结果表明计算值与实验值吻合较好。因此,激光辐射点火从根本上应归结于热的作用。     

激光点火过程的一维有限差分模拟

从激光点火的热机理出发,建立了激光点火过程的一维有限差分模型,并对B/KNO3/酚醛树脂点火药的激光点火特性进行了数值模拟。结果表明,随着入射激光能量水平、入射激光功率、入射激光能量密度、药剂激光吸收系数的减小,药剂的点火延迟时间延长 ;当入射激光能量水平接近点火能量阈值时,药剂表面温度的成长曲线出现双峰现象 ;点火功率阈值随着光束半径的增大而增大,随着脉冲宽度的增大而减小。模拟结果与实际激光点火过程的规律一致,与实验结果基本吻合。     

小功率激光二极管点火实验

使用光纤输出量大功率为０．５Ｗ的激光二极管对烟火药锆／高氯酸钾进行了点火实验。通过对点火时间的测定,研究了Ｚｒ／ＫＣｌＯ４的激光感度与配比,密度等参数的关系,结论：在弱正氧平衡和密度较小的情况下,Ｚｒ／ＫＣｌＯ３的激光感度较度。     

激光对金属背面含能材料的点火阈值

实验研究了Nd:YAG激光束通过辐照薄金属片,而对其后紧贴的含能材料的点火阈值。分析了激光对含能材料点火的过程和机理,并讨论了激光光斑尺寸、激光入射角度对点火的影响。     

不同氧/燃比的硼-硝酸钾的激光点火特性

硼-硝酸钾是一种重要的含能材料,其氧/燃比与药剂的点火和燃烧性能有密切关系.为了掌握氧/燃比与激光点火性能的关系,对不同配比的硼-硝酸钾及其酚醛树脂掺杂物进行激光点火特性实验研究、热力学参数计算分析和热分析.结果表明,硼-硝酸钾的激光点火过程由激光烧蚀、热化学反应和自持燃烧等阶段构成;随着硼质量分数从30%增加到70%,50%发火的激光点火阈值存在一个最小值,分别为7.6 mJ(m(B)∶m(KNO3):50∶50)和4.05 mJ(m(B)∶m(KNO3)∶m(酚醛树脂):40∶50∶5);激光点火延迟时间与激光点火能量密度的关系近似为线性递减关系,并且具有较低激光点火能量阈值的配比也具有较短的激光点火延迟时间;酚醛树脂将B-KNO3的化学反应起始温度从556 ℃降低到548 ℃,化学反应放热量从1.86 kJ/g增大到2.21 kJ/g,提高了激光点火感度和缩短了点火延迟时间.