激光推进技术

对近40年来国内外激光推进技术研究的发展进程和现状进行了综述;论述了激光推进研究的3个基本组成部分和研究的重点问题,分析了未来激光推进研究的发展方向;并对激光推进的分类、与传统化学推进方式相比的优势、激光推进的主要性能参数以及激光推进研究中常用的实验方法进行了较为详细的介绍;最后对笔者研究组近年来在超短脉冲激光烧蚀推进方面所做的研究工作进行了简要总结,主要包括利用自行搭建的扭秤测量不同脉冲能量、脉冲宽度、激光流量的超短激光脉冲烧蚀多种固体靶材产生的动量以及在水平和竖直方向推进微型小球的实验等。

激光推进器概念设计研究现状及发展趋势

激光推进器技术是激光推进技术的关键技术之一,也是其核心技术,而激光推进器概念设计是开展激光推进器技术研究的首要任务。在对国内外文献综合调研的基础上,总结给出了激光推进器概念设计的研究现状。通过对比分析给出了各种激光推进器构形的优缺点,并就激光推进器概念设计的发展趋势进行了分析讨论。

激光推进冲量耦合系数的测量方法

激光推进冲量耦合系数是激光推进的重要参数,反映激光能量转化为动能的能力。提出了水平双线支撑激光推进试验方法,推导了水平双线支撑激光推进时光船的运动方程和测量方程;通过高速相机测量位移,利用卡尔曼滤波计算速度的方法;解决了激光脉冲瞬间作用时速度随机起伏大和计算困难的问题。为水平激光推进冲量耦合系数的计算,提供了工程测量和计算方法。

水滴烧蚀激光推进性能测试

以脉冲式TEA CO2激光器为光源将雾化水滴用作推进剂进行了激光推进实验研究。由力传感器测量得出的推力随时间的变化关系曲线得出了冲量耦合系数的大小。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数的大小与雾化水滴的尺寸、速度等性能参数及其分布密切相关,水滴尺寸和速度越小,速度分布范围越集中,冲量耦合系数越大。

“烧蚀模式”激光推进的实验研究

采用单脉冲激光进行了大气环境下激光烧蚀小钢珠实验,得到其推进效应参数,发现并分析了钢珠在不同放置位置(焦前与焦后)时不同的物理现象;为了得到一系列定量实验数据,采用自行研制的激光冲量靶仪进行了单脉冲激光烧蚀推进效应实验测试,得到了不同环境条件、不同靶材料的激光推进效应参数,并与国外的实验数据以及数值计算结果进行了比较。实验表明,靶材料和激光功率密度是影响冲量耦合系数的主要因素,冲量耦合系数随环境气压的降低而升高。

大气吸气模式激光推进的实验研究

激光推进是一种新概念推进技术,在未来航天事业中将有重要的应用前景。利用高重复频率高功率TEA CO2脉冲激光器进行了抛物形飞行器的水平和垂直激光推进实验,实现了大气模式的激光垂直推进,飞行高度超过了1m。实验测定了多种工作状况下光脉冲能量转变为飞行器动量的推进效能,测得的光能-冲量耦合系数Cm达到27 7dyne·s/J,与国外文献报道相当。

吸气式激光推进单脉冲性能实验研究

利用实验室建立的多种测量系统,组合不同的聚焦及约束条件,广泛进行了吸气式激光推进单脉冲性能实验研究。给出了气压、单脉冲能量和实验件构形对冲量耦合系数影响规律,发现随实验条件变化存在不同的冲量耦合系数稳定区间;测量了单脉冲激光推力加载过程,其持续时间约为170μs,峰值约为200 N;获得了不同约束和不同能量下的流场波系结构,认为激波速度大、有效作用时间长有利于获得高的冲量;进一步综合分析了目前吸气式激光推进的研究局限和发展方向,为重复多脉冲性能研究奠定了很好的实验方法和数据基础。

液体工质激光推进冲量耦合系数实验测试

在成功研制液体工质注入系统的基础上,以脉冲式CO2激光器为光源,将雾化水滴用作工质,进行了激光推进性能实验测试研究。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数较大气吸气模式获得了较为明显的提高,达到了50×10-5N.s.J-1左右。与国内外相关实验结果进行了对比分析,讨论了提高液体工质激光推进性能参数的方法。

用于激光推进的高功率激光器的选择

从激光推进的要求出发,阐述了用于激光推进的高功率激光器的选择原则,即激光器必须满足:(1)高的平均功率和峰值功率;(2)高的单脉冲能量;(3)高的重复频率;(4)优良的大气传输特性。主要分析了目前YAG固体激光器、自由电子激光器和TEA脉冲CO2激光器的特点,通过上述4个方面性能的比较,认为在目前水平下,TEA脉冲CO2激光器是进行激光推进的首选强激光源,其优点表现在:功率可达10kW量级,单脉冲能量可达0.5～1kJ,重复频率为20～40Hz;激光波长处于大气传输窗口,对大气变化不敏感;工作物质快速流动,不存在热透镜效应和破坏阈值;相关光学元件易于制造;光束质量较好;运行成本低。

掺杂金属颗粒的高分子工质激光推进实验研究

利用大功率脉冲TEA-CO2激光器作为光源,对不同元素、浓度以及颗粒直径金属掺入PVC的靶材进行了测试。结果发现,不同元素种类以及不同颗粒直径的金属掺杂后的PVC靶材的冲量耦合系数变化不大,但在不同功率密度处,比冲均有显著提高,其中纳米Fe粉性能最为优异。在功率密度为5×106W/cm2处,50%纳米Fe粉质量分数的靶材的比冲出现最大值。在大气环境下,对于掺有20%纳米Zn粉质量分数的PVC靶材,其冲量耦合系数随激光功率密度的提高而先升后降,比冲并不优异于比其熔点更高的Fe粉和Ni粉掺杂。

吸气式激光推进推力产生机理的数值模拟

采用二阶精度的Roe格式,分别采用完全气体模型和高温平衡气体模型,对激光引致的激波在流场中的传播以及轴对称激光推力器的推力产生过程进行了数值模拟,揭示了大气吸气模式激光推进的推力产生机理。结果表明,采用高温平衡气体模型可以更精确地模拟等离子体流场的演化过程,计算所得的冲量耦合系数与已有实验结果吻合较好。

透射式水工质的高耦合效率激光推进模式

为了提高激光推进的耦合效率,防止光学器件污染,提出了透射式液体工质的激光推进模式。在这种推进模式中,Nd:YAG固体激光器中产生的450 mJ,7 ns激光穿过透明的玻璃基底后,与燃烧室中的液体推进剂相互作用,产生的等离子体在玻璃基底、燃烧室和液体推进剂的约束下膨胀,产生很高效率的动量转换,使靶获得初速度。纯水和黑墨水分别被用作推进剂,通过比较实验结果发现,在这种模式中墨水比水更适合做推进剂。通过改变燃烧室的长度和孔径,得到的耦合系数的最大值为17 858.3 N/MW。

气压对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

保持CO2激光的单脉冲能量为61.4～64.6 J,采用高精度冲击摆系统进行了不同气压下吸气模式激光推进冲量耦合系数的实验测试,分析了对应的高度特性。结果表明:气压为2.8×104～1×105Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4N.s.J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104Pa,即高度大于10 km时,冲量耦合系数呈二次曲线显著下降;当气压降至1×103Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5N.s.J-1。

激光推进冲量耦合系数测量方法比较

针对测量冲量耦合系数的水平导轨法和冲击摆法,分别进行了误差计算和实验研究。计算结果表明：水平导轨测量法的相对误差（4.6%）略小于冲击摆测量法的相对误差（6.1%）,其中位移参数和最大摆角的测量精度对于相对误差的影响最大。实验结果表明：两种方法的测量结果基本一致,冲量耦合系数均随着入射脉冲能量的增大而增大,且两组数据相差在6%以内,在入射脉冲能量为3~14 J时,冲量耦合系数最高可达260 N.MW-1。

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理，分别以空气、氩气、氮气和氮气为推进剂，用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEACO2激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高，氦气的冲量耦合系数最低；在实验测试的激光能量范围内，4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大，冲量耦合系数的相对误差为5．4％～6．4％。实验结果与国外相关实验结论一致。

对凝聚态工质激光推进的思考

液体和固体等凝聚态物质以其自身独有的特性引起了广泛的研究兴趣。目前的研究结果表明,液体工质的冲量耦合系数较高,固体工质的比冲较高,但是能量转化效率都比较低。对照化学火箭发动机的理想热力循环过程,在对激光推进工作过程合理简化假设的基础上,给出了激光推进的理想热力循环过程,对激光推进的能量转化效率和化学火箭发动机的热效率进行了定量对比分析,结果表明,在能量转化效率方面激光推进并没有优势。分析了掺杂材料、含能工质以及液膜对激光推进理想热力循环过程的影响。定量研究结果表明,含能工质对能量转化效率的提高作用最明显,掺杂材料和含能工质对能量转化效率的提高效果比较明显。

激光推进流场演化的高速阴影测量方法

介绍了高速阴影技术在激光推进流场演化诊断过程中的应用。采用了阴影技术和高速摄影相结合的方法,对激光推进流场演化过程进行了考察。由高速相机提供时序零时,控制激光器和闪光源的延迟时间,再对高速相机进行同步曝光,解决了高速阴影测量过程中高速相机、闪光仪和激光器的时序控制问题,实验获得了清晰的流场演化图像,为进一步研究提供了实验依据和便利条件。

水滴烧蚀多脉冲激光推进性能

用实时的推力测试方法研究了水滴烧蚀模式多脉冲TEA CO2激光推进的推进性能。用纹影法研究了伴随水滴烧蚀产生的激波等流场变化过程。多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数随激光脉冲重复频率的变小和脉冲数目的增加而逐渐下降。与激光传输相反和相同方向的激波传播最大速度分别为10 km/s和7 km/s。与纹影法结果同步获得的推力曲线表明:汽化过程对推力的形成过程贡献最大,激波也对推力的形成过程有一定贡献。

液体工质激光推进性能研究评述

工质的选择对于激光推进任务的完成具有举足轻重的作用。液体工质以其自身独特的优点已经引起了国内外学者的浓厚兴趣。评述了国内外液体工质激光推进性能的研究进展,指出了研究工作中存在的突出问题,探讨了提高液体工质推进性能的可能途径,提出了将尺寸较小的水滴用作工质从而提高推进性能的方法。研究结果表明,液膜和尺寸较小的水滴是提高液体工质推进性能的有效途径。

单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

利用透镜聚焦，抛物面喷管约束，结合复摆和光指针测量系统研究了单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响，实验中通过调节激光器工作电压和硅片衰减实现了脉冲能量5～70J范围的有效拓展；进一步采用纳秒分幅高速相机拍摄了24J能量下的流场纹影照片。结果表明：在4～9J低能量和32～70J较高能量区间，冲量耦合系数均较稳定；9～32J能量下冲量耦合系数呈线性增长趋势，变化范围（6．5～21．0）×10^-1N·s·J^-1；纹影照片显示流场演化经历了激光支持爆轰波、爆燃波和激波3个阶段，耦合系数的变化规律源于不同单脉冲能量对应不同的能量沉积效率。