8km/s激光驱动飞片发射技术实验研究

实验研究了激光驱动飞片技术中激光能量剖面和飞片靶金属膜层的力学特性对飞片的速度和完整性的影响,认为激光能量剖面整体呈"平顶型"的光束是发射高质量飞片的基础,同时飞片靶的膜基附着力、金属膜层的强度和韧性三者之间应保持良好的匹配才能得到完整的飞片。制备了基底/Cr/Al复合结构飞片靶,利用波长1 064nm、脉宽15ns的激光,将直径1mm、厚度3μm的铝飞片稳定驱动至8km/s。

一种非接触式微小飞片速度原位测量技术

文章提出了一种新的微小飞片平均速度原位测量技术,并研制了速度测量装置。在飞片的飞行路径上设置片激光,通过测量飞片经过片激光的时间间隔及对应的飞行距离,便可获得飞片的平均速度。测量装置的主要部件是高频激光器和高灵敏度光电接收器,无其他复杂或者大型设备,易于与激光驱动微小飞片发射装置等配套衔接,操作方便,成本低。大量试验数据表明,测量装置工作稳定可靠,对厚度不小于3μm、速度不大于10 km/s的飞片,速度测量精度优于5%。

Lawrence-Gurney模型对于激光驱动飞片的适用性分析

Lawrence-Gurney模型给出了求解激光驱动飞片速度的方程组。文章从理论和试验两个方面对Lawrence-Gurney模型的适用性进行了分析,发现该模型不能较好地描述厚度为10μm以下飞片的驱动过程。主要原因是Lawrence-Gurney模型对激光与飞片的具体相互作用过程进行了简化假设,依据能量守恒和动量守恒定律建立数学方程组,而这些假设条件和近似求解条件对于厚度小于10μm的飞片均不能很好地成立,导致对飞片速度、能量耦合效率、冲量耦合系数和飞片烧蚀深度随激光能量变化的理论预估结果与试验结果偏差较大,需要进行修正。

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明:空间分布为"平顶型"的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。

激光技术在航天工程中的应用及对策

激光技术在航天工程中具有重要的应用。对激光技术在航天材料加工、航天器空间环境效应地面模拟试验和航天器有效载荷上的应用进行了分析;对航天工程在激光晶体材料、激光薄膜材料、激光透明陶瓷材料及激光光纤材料等的需求和对策进行了探讨;对激光器系统在空间真空、温度交变、粒子辐射、太阳电磁辐射、等离子体以及振动等环境下的适应性及对策进行了研究。给出了建议,即应该进一步加强强激光材料的基础科学研究,研制性能优异的激光材料与有效载荷,加强激光器系统与载荷的空间环境适应性研究。

激光驱动飞片速度的理论分析

激光驱动飞片技术是模拟微流星体/空间碎片对航天器外露材料/部件超高速撞击,用于开展撞击累积损伤效应与材料性能退化的研究,也是进行航天器在轨寿命预估和空间碎片防护研究的重要技术手段。飞片速度是衡量激光驱动飞片技术水平的关键性参数之一。文章从Lawrence改进的Gurney模型出发,着重分析了激光输出能量、脉宽、聚焦光斑大小以及飞片靶厚度等参数与飞片速度大小的关系,提出激光驱动飞片技术中提高飞片速度的主要途径:其他条件一定时,薄靶较厚靶更易获取高速飞片;小光斑较大光斑更易获取高速飞片;长脉宽高能激光器或短脉宽低能激光器比较适合获取高速飞片。以上结论对从试验上获取高速飞片具有重要指导意义。

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。

一种用于超高速撞击实验的新型弹丸弹托分离技术

文章自主研发了一种新型的气动力弹丸与弹托分离技术.在北京卫星环境工程研究所的φ18 mm二级轻气炮上应用该技术在3～7km/s的速度内可以成功分离直径在3～10mm的弹丸,弹托分离非常干净,分离成功率达100%.对比分析显示,该技术分离效果优于目前公开报道的其它技术.

升华能随温度和压力的变化及其对汽化反冲冲量的影响

从普适的热力学原理出发,研究了升华能随温度和压力的变化。结果表明,升华能随温度或压力的增加而线性减小。采用光滑粒子流体动力学方法对金属铝在脉冲X射线辐照下的汽化反冲冲量进行了数值模拟,考察了升华能的变化对冲量的影响。结果表明,考虑升华能随温度和压力的变化后,冲量明显增加。

高重复频率DPL激光辐照光学薄膜元件温升规律实验研究

光学薄膜是激光系统中最易损坏的薄弱环节。在高重复频率脉冲激光辐照下光学薄膜表面温度急剧上升,导致膜层应力、结构发生变化,最后出现宏观的灾难性损伤。文章采用红外热像仪实时测量了重复频率10kHz的DPL脉冲激光辐照下光学薄膜元件表面激光辐照中心点的温度变化,分析了影响薄膜元件温度变化的众多因素。结果表明,采用热导率较大的材料作基板的薄膜样品表面的温升较低;基板厚度越大的薄膜样品表面温升越低;薄膜表面激光辐照中心点的温度与样品的吸收峰值功率密度呈线性关系。

Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究

文章采用数值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应过程，分析了冲击波在阻抗梯度材料中的传播规律，计算了撞击过程中的能量耗散情况，并与弹丸撞击铝合金靶的结果进行了比较。研究结果表明，相对于铝合金材料，Al/Mg阻抗梯度材料：1）延长了冲击波的传播时间，使峰值压力脉冲的比冲量提升了30%～50%；2）提高了塑性功和内能转化量，使不可逆功增加了10%。由此证明阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。

太阳电池阵二级轻气炮超高速撞击特性研究

采用二级轻气炮对航天器太阳电池阵开展了超高速撞击地面模拟试验,研究了不同撞击位置、撞击速度、弹丸直径等工况下太阳电池阵的机械损伤特性.试验结果显示:地面模拟试验产生的穿孔区、玻璃盖片剥落区、裂纹扩展区等损伤形貌与在轨撞击产生的损伤形貌符合良好;穿孔直径和玻璃盖片剥落区直径与弹丸的直径和撞击速度相关.建立了撞击角为0°时太阳电池阵穿孔直径、玻璃盖片剥落区直径的损伤方程.本文的研究方法对我国航天器太阳电池阵超高速撞击损伤特征研究有借鉴意义,所建立的损伤方程对我国航天工程实践具有重要的工程应用价值.

密度梯度薄板超高速撞击特性的实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,在撞击速度范围为4.0—7.0 km/s内获得了Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板的穿孔特性、验证板损伤特性和弹道极限特性.与Ly12 Al薄板的相应实验结果的对比显示,在相同撞击速度下,该密度梯度薄板的穿孔直径更大,且随撞击速度的增大而增加;其验证板上的撞击坑尺寸小,且随撞击速度的增大而减小;其弹道极限比Ly12 Al薄板的弹道极限高50%以上.分析认为,超高速撞击下Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板中高阻抗的Ti6Al4V产生的峰值冲击压力比Ly12 Al薄板的峰值冲击压力高,这增强了对弹丸的破碎能力;而其中的聚酰胺纤维层延长了冲击波在薄板中的传播时间,增大了冲击波的耗散,使撞击过程中转化的不可逆功增多,从而消耗了弹丸更多的动能.使用这种密度梯度材料作为防护屏具有很好的抗撞击能力,在航天器空间碎片防护工程应用中具有很大的潜力.