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。     

天基平台激光清除厘米级空间碎片关键问题探讨

利用激光方式清除低轨大量的厘米级空间碎片已经成为国际上的研究热点。激光清除空间碎片是巧妙地利用了碎片在激光辐照下的冲量耦合特性和冲量作用下的减速降轨特性。围绕着冲量耦合和减速降轨特性,讨论了激光辐照下空间碎片等离子体羽流喷射、激光辐照空间碎片冲量耦合效应测试、天基平台激光辐照下空间碎片轨道预测以及用于碎片清除的天基平台激光器参数设计四个关键问题,分析了涉及的技术难点,可采用的研究方法,以及能够实现的技术水平。通过对关键技术问题的探讨,为进一步开展天基激光清除碎片技术工程化奠定基础。     

脉冲激光辐照小尺度空间碎片的影响规律

通过建立了激光辐照小尺度空间碎片的物理模型。仿真分析了小尺度碎片的速度增量与激光功率密度的关系,讨论了不同功率密度下激光的有效作用时间以及不同脉宽下激光冲击波的传播波形和到达位置;在此基础上,模拟分析了冲量耦合系数随不同激光脉宽和功率密度的变化规律。结果表明：速度增量随激光功率密度的增加而增加,激光冲击波波形随脉宽增加有明显展宽,且在激光功率密度、脉宽一定条件下短波长可获得更大的冲量耦合系数。     

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。     

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。     

真空环境下脉冲激光烧蚀等离子体羽流特性分析

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说,激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程,并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此,有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流特性。针对等离子体羽流的流场超高速、瞬态、强自发光背景、小尺度的技术难点,采用纳秒级曝光、多幅照片精确拼接技术,采用高速相机和激光器同步时序控制技术,实现纳秒级时间分辨率、亚微米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,实验获得典型碎片材料等离子体羽流演化特性,以及不同激光入射角度下的等离子体羽流演化过程,实验结果可揭示反喷冲量形成规律。     

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。     

不同制式脉冲激光冲量耦合效应研究

激光主动清除空间碎片已经成为国际上的研究热点。碎片靶材在高能脉冲激光作用下的冲量耦合效应研究是实现碎片清除的基础和关键。基于单摆法模型的高速摄影测量法分别研究了ns和ms两种不同脉宽制式激光对铝合金小球的冲量耦合系数的变化规律,并从机理上分析了两种制式激光产生冲量耦合系数特性的不同。重点指出ms激光能够产生的单位面积冲量远大于ns激光,可用于清扫空间碎片。提出采用ns与ms的复合激光能够有效提高激光的能量利用率,从而获得更大的冲量耦合系数。为激光清扫空间碎片的研究提供了一条新的思路,具有很强的指导意义。     

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.     

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。     

连续激光辐照三结GaAs太阳电池温度场仿真

为了研究真空环境下1070nm连续激光辐照对三结GaAs太阳电池输出性能的影响,利用COMSOL软件构建了相应物理模型,通过数值仿真研究了激光功率密度、光斑半径、减反膜和热辐射热对流对温度场的影响。结果表明,吸收系数、热导率和光电转换效率是温度演变的3个主要因素;温升幅度随激光功率密度增大而增大;光斑半径越小使得电池表面温差越大;拥有减反膜结构可有效地提高太阳电池转换效率,但也使电池温度较高;热对流散热在电池较低温度（300K~400K）情况下占据主导作用;当入射功率密度为16.7W/cm2、光斑半径与电池半径相同时,经20s后,电池中心温度达到501.521K,导致光电转换效率为0。该数值模拟结果与实验结果基本相符,对激光损伤太阳电池机理研究提供一定的理论依据。     

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。     

脉冲强激光与碲镉汞相互作用时的冲量耦合

用冲击摆的方法测量了脉冲激光与碲锅汞冲量耦合系数，发现所测量的耦合系数受样品靶面积的影响，面积越大，系数越大；面积越小，系数也越小。这是因为强激光发射形成的激波引起的，利用激波膨胀模型，解释了这一现象。