脉冲激光推进轻型飞行器的特点分析

采用微分方程数值解法计算地基脉冲激光推进轻型飞行器的运动方程，分析了大气呼吸模式、烧蚀模式以及两种模式相结合方式下飞行器的飞行特点。计算分析发现：空气呼吸模式推进飞行器的最大速度有限；烧蚀模式可以使飞行器产生很高的速度，提高冲量耦合系数和比冲，有利于提高飞行器的最高速度；两种模式相结合的推进方式提高了有效载荷比，但能源利用效率比烧蚀模式要低。为轻型飞行器激光推进的优化提供了参考。     

激光脉冲重复频率对冲量耦合系数的影响

 设计了触发间隔从100 ms到5 ms可调的双脉冲触发器驱动TEA CO₂激光器高压开关，用以模拟激光器不同的输出脉冲重复频率。用该装置精确控制的不同激光脉冲重复频率下，对抛物面型光船模型进行了大气模式激光推进中冲量耦合系数的实验研究。发现冲量耦合系数随着重复频率的增加而下降，而单位时间内光船获得的冲量耦合系数的增量则随着重复频率的增加而增大。初步分析认为，这是由于飞行器内的空气未得到充分的补充造成的。     

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。     

基于准静态波的吸气式高重频脉冲激光推进性能数值研究

 根据高重频脉冲激光产生光学脉冲放电形成准静态波的原理,对自编的流体力学计算程序进行了验证,结果表明该程序可用于吸气式高重频脉冲激光推进性能的数值研究。分别计算了基于移动点火点和喷射气流两种模式下准静态波流场的冲量耦合系数,均高达600 N/MW,比传统的低频脉冲激光推进冲量耦合系数250 N/MW高。比较了两种模式的优缺点,给出了不同模式的适用情况,结果表明,对于机理研究来说,喷气模式更易于实现。     

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。     

圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟

 为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律,用2维轴对称辐射流体动力学方法,计算得到了不同构形的推进性能参数,分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响。计算揭示的激光推进能量相似律合理,在理论模型可以描述的范围内,其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证。结果表明：当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受激光能量的影响很小,冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小。     

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、氮气和氦气为推进剂，用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO₂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。     

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5~70 J范围的有效拓展;进一步采用纳秒分幅高速相机拍摄了24 J能量下的流场纹影照片。结果表明：在4~9 J低能量和32~70 J较高能量区间,冲量耦合系数均较稳定;9~32 J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^-5 N·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。     

脉冲激光与碲镉汞相互作用时的冲量耦合

在激光功率密度为４．０×１０８～５．０×１０９Ｗｃｍ－２的范围内，用冲击摆测量了ＮｄＹＡＧ脉冲激光（波长为１．０６μｍ，脉宽为１０ｎｓ）辐照大气中不同面积的ＨｇＣｄＴｅ样品时的冲量耦合系数。从理论上建立了等离子体爆轰模型，对激光结束后等离子体的膨胀过程进行了比较详细的描述，用此模型计算了不同能量的脉冲激光与不同面积的ＨｇＣｄＴｅ相互作用时的冲量耦合系数，计算值与测量值符合得较好。     

纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低. 关键词： 激光烧蚀 冲量耦合 等离子体     

Numerical simulation of air-breathing nanosecond laser propulsion considering subsonic inflow and multi-pulse

The model of paraboloid point focusing laser thruster is adopted to investigate numerically the air-breathing nanosecond laser propulsion under subsonic inflow and multi-pulse condition. The influence of pulse number and subsonic inflow on propulsive performance is analyzed. The simulation results indicate that the average impulse coupling coefficient C_mn decreases significantly with the increasing of pulse number because the air in the nozzle cannot recover to the initial state, but the trend becomes smooth due to the similar flow field before subsequent pulse. When the Mach number increases, the multi-pulse C_mn falls down at the same number of laser pulse. It shows that the faster subsonic inflow, the higher air drag and the shorter time of interaction between the shock wave and the thruster.     

Experimental investigation of the effects of laser parameters on laser propulsion

The effects of main laser parameters,such as pulse energy,pulse duration,frequency,and work time on laser propulsion of "air-breathing mode",are investigated experimentally with a high power and high repetition frequency TEA-CO2 pulsed laser.The results show that the momentum coupling coefficient Cm decreases with increasing the pulse energy for single pulse tests and pulse duration of about 1μs.Either higher or lower frequency will reduce Cm in multi-pulse tests,which suggests an optimal frequency for the maximum Cm.As to the work time,the longer the work time is,the less the Cm will be.     

基于增益负反馈的COIL自脉冲方法

针对超音速化学氧碘激光器增益介质的横流特性,设计了具有增益负反馈的光学谐振腔结构,通过化学反应的超音速流场和光场的耦合仿真,根据具体的激光器运行参数,论证了这种结构实现自脉冲激光的可行性。结果表明:振荡激光在增益区上游放大次数越多,对上游增益介质能量提取能力越强,脉冲调制作用越显著。采用激光光斑缩束再放大的结构设计,脉冲激光的峰值功率提高10~20倍,从理论上证明了增益负反馈的调制方法能够实现横流激光器脉冲激光输出。     

Experimental research on impulse coupling effect of a multi-pulse laser on an aluminum target

Impact and torsion pendulums are applied in impulse coupling experiments of high-energy laser irradiation of space debris. It is difficult to achieve a multi-pulse experiment and thus hard to analyze the multi-pulse impulse coupling effect. Here, we designed a new recoil impulse experimental measurement system of non-contact, multidegrees of freedom, and multi-pulse irradiation. The system used a low-pressure and low-temperature vacuum chamber to simulate the space environment, the pinning effect of magnetic levitation to achieve aluminum target suspension, and high-speed cameras to record the displacement over time to calculate the impulse of the target.Then the impulse coupling experiment of multi-pulse laser irradiation on the aluminum target was performed.The result shows that the multi-pulse impulse coupling effect is not the linear accumulation of coupling results by every single-pulse and multi-pulse coefficient that decreases with the increase of the number of pulses, and eventually stabilizes as the decrease gets smaller.     

激光与固体靶面烧蚀等离子体的能量耦合计算

 强激光辐照下固体靶表面迅速汽化产生靶蒸气等离子体,激光穿过等离子体区到达固体靶表面的过程就是激光束与等离子体的能量耦合与交换过程。采用具有五阶精度的WENO差分格式和简易等离子体状态方程模型对激光与等离子体相互作用的复杂物理过程进行了数值计算,分析了激光束能量在等离子体区中的吸收、屏蔽效应等动态耦合规律以及激光支持等离子体前驱冲击波传播。数值模拟结果表明：激光能量是支持靶面等离子体运动的唯一原因,能量屏蔽效应对激光与等离子体能量耦合有很大影响,通过控制激光脉冲宽度,可以合理调节屏蔽效应的影响。     

激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟

在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量.基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程.用Fluent软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响.为了验证该模型的准确度,利用CCD比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布.结果表明,数值模拟与CCD检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义.     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

激光加热金属板流固耦合数值模拟

 数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下,气流的冷却效应占主导地位;当气流速度和激光功率上升到一定程度后,气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。