线性喷管构形对激光推力器冲量耦合系数的影响

喷管是激光推力器的重要组成部分。在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计。针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型。通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系。通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因。研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形。

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。

抛物面型激光推力器的热力冲击响应

通过实验、机理分析和数值模拟系统地分析了大气模式激光推进中抛物面型推力器的热力冲击问题。在分析激光推进中存在的4种热载荷(入射、辐射、透射和运流)的基础上,建立了相应的热力耦合动态计算方法。多脉冲推进的计算温升与实验结果吻合。计算表明,入射吸收和高温辐射是造成抛物面型激光推力器温升的主要原因,并预测推力器在熔化前首先发生拉伸破坏,揭示了激光推进中热力冲击破坏的机理和严重性。

激光推力器喷管热防护实验研究

基于激光推力器喷管热烧蚀因素分析,初步提出了反射式和吸收式两种喷管热防护方法,并相应设计了两种喷管。以10 kW级脉冲式CO2激光器为光源,三次反射激光推力器为对象,进行了两种方式下两种喷管的热防护初步实验研究。结果表明:两种喷管均发生不同程度烧蚀,与相对聚焦位置和激光作用时间有关;反射式热防护通过喷管光学表面对透射激光能量进行二次聚焦,以及良好的循环冷却,可能成为将来激光推力器喷管热防护的备选方案之一。

点火形状对激光推力器推进性能的影响

在单脉冲激光能量为70 J作用下,用数值计算方法,对点火形状沿抛物形喷管对称轴的变化及其对激光推力器推进性能的影响进行了研究。研究表明,对于内表面母线方程y^2=20x,开口直径为0.08 m的喷管,当点火位置距离喷管内壁顶点0.02 m,点火区体积不变时,椭球或圆柱点火形状的变化对冲量耦合系数的影响很小;点火形状沿水平方向越细长,推力的变化幅度越小。通过分析点火形状对推进性能的影响,为设计聚焦系统提供了参考依据。

组合喷管构形激光推力器推进性能数值研究

激光推力器中,单一构形如旋转抛物形、锥形的喷管设计未对高压流场实现有效约束,推进性能较低。通过建立的计算模型,针对吸气模式下,抛物形与圆柱形喷管组合的激光推力器模型进行了数值研究,围绕圆柱喷管长度与脉宽对推进性能的影响规律以及流场演化特征进行了分析。结果显示：冲量耦合系数随圆柱喷管的增长而增加并趋于恒定,直径20mm、圆柱喷管长80mm的推力器模型在单脉冲激光能量密度1.5J/cm^2的条件下获得的冲量耦合系数高达627.7N/MW;脉宽对冲量耦合系数也有一定影响。

透射式烧蚀激光推力器羽流场分析研究

本文采用蒙特卡洛方法,针对透射式烧蚀激光推力器真空羽流流场进行分析研究。基于烧蚀工作原理,构建了透射式激光推力器喷射理论模型,对其真空羽流流场进行了数值模拟,获得了羽流场变化过程及流场分布情况。将模拟结果与实验结果进行了比较,结果表明模拟结果与实验结果符合性良好。本文为搭载激光推力器卫星羽流场以及敏感表明污染分析提供理论基础。

不同气体工质对激光推力器冲量耦合系数的影响

通过冲击摆实验,测量了激光推力器在不同气体工质(氩气,氦气)、不同工作压力条件下的冲量耦合系数,比较了不同气体对激光推力器冲量耦合系数的影响。实验结果表明:冲量耦合系数随着环境压力的下降而下降,并且下降趋势越来越快;在氩气中测量的冲量耦合系数比氦气的高;实验产生误差的主要因素是摆角的测量误差。

激光-电磁复合推力器研究现状与展望

激光-电磁复合推力器不仅具有比冲高和体积小的特点,还具有推力精准可控、工作稳定、抗干扰强以及效率高的优势,可为微纳卫星提供可靠的动力来源。本文对激光-电磁复合推力器的相关研究进行了较为全面的介绍,概述了此类推力器的基本原理与优势特征,重点总结了样机设计、数值模型与推进剂研制三部分内容的研究进展,归纳了现有研究内容的关键问题。在此基础上,对激光-电磁复合推力器的进一步发展方向进行了展望。

聚光系统构形对激光推力器推进性能的影响

在喷管与聚光系统一体化设计时,聚光系统因其同时承担聚光和喷管两项功能而成为激光推力器的重要组成部分。通过改变聚光系统内表面的母线方程,可以改变点火区的大小、形状、点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数,而这些参数都会对激光推力器的推进性能产生影响。针对不同的聚光系统构形建立了相应的点火模型,数值计算与实验结果一致,即当注入能量不超过60 J时,在喷管出口直径相同的条件下,抛物形喷管点聚焦方式比环聚焦方式所获得的冲量耦合系数大,可达38.84×10-5N.s/J;而冲量耦合系数对点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数并不十分敏感。研究结果对于吸气式激光推力器的喷管构形设计具有指导意义。

激光微推力器多脉冲作用下的力学性能测量方法

为研究脉冲激光推力器多脉冲工作模式下的推力/冲量力学特点,分析了扭摆系统在多脉冲作用力作用下的响应特点,提出了多脉冲作用力的平均推力和冲量的测量方法,并通过仿真分析了多脉冲作用力重频、非标准周期多脉冲力对测量的影响。仿真结果表明:当脉冲力的重频是扭摆固有频率的10倍以上时,可以利用稳态转角均值计算平均推力;在扭摆周期远大于多脉冲工作时间的4倍时,可以利用转角的最大峰值以及达到最大峰值前的转角测量值计算冲量;当脉冲作用力为非标准周期性作用力时,推力/冲量测量方法仍然有效。

激光等离子体微推力器的发展及热点问题

激光微推力器在航天器的轨道调整、引力补偿、位置保持、轨道机动和姿态控制等方面存在巨大的潜在优势。对近年来激光等离子体微推力器的研究和发展进行了较全面介绍,并详述了激光等离子体微推力器发展过程中的几个热点问题,包括激光等离子体微推力器的工作模式和工质的选择、推力单元结构设计、微型激光器和微推力测试方法的研究与发展现状。通过对比分析,给出了目前所研究的激光等离子体微推力器的优缺点,为国内研制激光等离子体微推力器提供了一些有益参考。

激光微推力器及其关键技术

传统的推力器由于其受到物理尺寸、重量和推力的限制，无法适应微小型卫星精确定位、姿态控制等特殊航天任务的需要。在重点介绍了激光微推力器的基本原理和结构特征的基础上，讨论了激光微推力器需要解决的几个关键技术问题。

两种激光烧蚀微推力器工作模式的讨论

激光烧蚀微推力器技术是激光推进技术最有可能率先实现工程应用的技术研究方向。作为一种新型的空间推进领域电推进推力器技术,以其系统集成度较高、电功耗较低、冲量元精准等优势特性,在推进性能和系统集成等方面形成鲜明的特色,对于多种空间推进任务具备潜在的应用价值。以激光烧蚀微推力器发展历程为背景,总结提炼当前推力器技术发展趋势,提出了激光烧蚀微推力器目前最具研究价值的两种工作模式,分别对高低比冲两种不同工作模式进行了性能分析和比对,对激光烧蚀微推力器应用前景进行了展望,最后给出了进一步研究的建议。

靶带式激光微推力器微推力输出对纳星平台的姿态影响分析

激光微推力器由于比冲高、推力水平低、体积功耗低、简单可靠等优点逐渐成为微纳星可负担的起的动力系统选择之一。针对固体靶带式激光微推力器推力输出过程中,由于阵列式激光器点火位置、点火顺序对纳星平台姿态影响问题,建立了基于激光烧蚀力矩的卫星姿态动力学方程,仿真分析姿态角和角速度随时间变化关系。仿真结果表明:在微推力器激光点火顺序可分为两边对称且连续输出和两边对称且间隔输出两种情况下,两种模式对纳星姿态影响存在差异,但无论激光烧蚀力矩由大到小输出或由小到大,力矩对称且连续输出对姿态影响最小,为应用于微纳星姿态稳定控制奠定基础。

基于PVDF传感器的单脉冲激光推力加载过程研究

利用高频响应材料PVDF作为敏感元件,建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统,并用φ37mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定。标定结果显示,在0-150MPa范围内,PVDF传感器（5mm×5mm）的压电特性呈线性,动态压电系数经线性拟合后为20pC/N。用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下,旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线,并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析。实验结果表明,该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征。

碟片式激光烧蚀微推力器靶盘利用率优化

碟片式激光烧蚀推力器的总冲与靶盘上烧蚀点数量线性相关,提高靶盘利用率有利于在有限的靶面上得到更多的烧蚀点。为了优化靶盘利用率,文中首先对激光烧蚀微推力器进行了结构设计和分析,对靶盘上的烧蚀点分布问题进行了理论建模,提出了串珠法和套圈法两种分析方法,分别设计了圆圈路径、螺旋路径和六角密排三种实际烧蚀点分布方式。通过计算,分析比较了三种分布方式下,靶盘尺寸和烧蚀点尺寸对靶盘利用率的影响规律。结果表明,六角密排的靶盘利用率理论最高可达90.64%,圆圈路径和螺旋路径的靶盘利用率理论最高可达78.54%;靶盘利用率受到靶盘尺寸和烧蚀点尺寸的影响,靶盘尺寸较小时,圆圈路径的靶盘利用率相对较大,靶盘尺寸较大时,六角密排的靶盘利用率较大;三种分布方式各有特点,在应用上各有侧重。该研究为充分利用碟片式激光烧蚀推力器的靶盘提供了理论指导和设计参考,对推力器的工程化设计有一定借鉴意义。

激光微推力器作用下纳星轨道半长轴简化计算方法

针对激光微推力器微小推力作用下纳星轨道转移问题,利用摄动方程提出一种切向推力同面轨道转移的半长轴简化计算方法。分析了地球非球形、大气阻力和太阳光压等主要摄动因素对该方法的影响,并与各种摄动下纳星运动方程直接积分的轨道变化情况进行了对比,验证了简化计算方法的有效性和应用条件。仿真对比结果表明:在轨道高度300 km以上,纳星在百微牛量级的切向推力作用下,可以采用简化计算方法获得轨道高度机动能力;对于纳星任务设计阶段,太阳光压摄动可以忽略,大气阻力摄动在500 km以上可以不予考虑,地球非球形摄动影响特性与其他卫星类似。

烧蚀模式激光推进的机理和应用探索

激光推进是一种全新的驱动概念,在未来航天领域具有重要的应用前景.介绍了我们采用凝聚态工质的"火箭烧蚀模式"激光推进方面的最新研究进展,包括烧蚀模式激光推进的机理、激光水推进、激光微推力器模型以及分离式全方位接收激光推力器概念,目的在于探索烧蚀模式激光推进的机理、规律和可能应用.

激光干涉法在扭摆法测量微冲量中的应用

介绍了激光干涉法测微小转角的原理及测量方法,提出了采用激光干涉测量微冲量的方法,将激光与靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度,通过激光干涉法测量此微小转角从而计算出冲量。相同单脉冲能量下,以PVC+2%C为工质,用扭摆法测量了激光与工质作用产生的微冲量,结果表明该测试系统分辨率为2×10-8N.s,量程为2×10-7～0.8×10-5N.s。