"烧蚀模式"激光推进技术及其应用研究

随着激光技术的发展,激光推进技术越来越受到关注."烧蚀模式"激光推进是激光推进技术中一个重要的研究领域.本文在介绍了"烧蚀模式"激光推进的原理、研究现状和几个亟待解决的热点研究问题的基础上,对激光推进的进一步应用进行了探索与研究.     

掺杂红外染料聚叠氮缩水甘油醚工质激光烧蚀推进性能优化探索

选择含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为激光烧蚀微推力器的工质,分析了红外染料掺杂对激光烧蚀GAP工质推进性能的影响.通过对比掺杂红外染料GAP在不同激光功率密度、掺杂浓度、靶材厚度和激光烧蚀模式下的推进性能数据和烧蚀羽流,初步探索了掺杂红外染料GAP工质的推进性能优化方式.实验结果表明:透射式激光烧蚀模式下,激光能量的指数衰减特性和掺杂红外染料GAP的强黏性使得烧蚀羽流中易存在未充分烧蚀的工质; GAP的推进性能受红外染料掺杂浓度和靶材厚度的综合影响,当靶材厚度与激光吸收深度接近时,靶材充分吸收激光能量使中心烧蚀区达到化学能释放的温度阈值,同时沿激光传播方向未充分烧蚀的质量最少,此时推进性能达到最优值.反射式下掺杂红外染料的聚合物的激光烧蚀过程遵循"先吸收激光能量先喷射"的规律,工质分解充分,推进性能优于透射式.     

脉冲激光烧蚀推进技术的航天应用进展

脉冲激光烧蚀推进技术具有比冲高和推力可精确控制的特点,既可用于发射有效载荷也可用于星载动力,甚至可用小行星表面物质作为推进剂使其偏转轨道,因此,在航天领域得到越来越多关注。围绕激光单级入轨发射、同步轨道和火星轨道运输;激光微推力器用于航天器姿轨控,以及激光与电组合推进;激光烧蚀操控cm级空间碎片的轨道,以及激光烧蚀操控较大尺寸碎片的姿态;激光烧蚀偏转小行星轨道等方面,对脉冲激光烧蚀推进技术在航天领域研究现状和进展,进行了系统全面地归纳和总结,并对激光平均功率、波长、脉宽和推进剂选材等关键问题,进行了详细分析。     

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。     

激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流屏蔽特性数值研究

激光烧蚀推进中,烧蚀羽流对入射激光的屏蔽效应是影响推进性能的重要因素;当采用掺杂金属聚合物作为工质时,易电离金属掺杂物的引入,使屏蔽效应更加明显.本文建立了激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流飞散及电离、屏蔽模型,计算了3—40 J/cm~2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的比冲,与实验数据对比表明模型能够有效模拟掺杂聚合物羽流的屏蔽特性.获得了不同激光能量密度下的电子数密度、吸收系数分布及屏蔽系数时间变化曲线.结果表明:低激光能量密度(5 J/cm~2)时,羽流屏蔽效应以未完全分解聚合物短链对入射激光能量的吸收为主;高激光能量密度(20 J/cm~2)下,羽流电子数密度逐步增大至1020m~(-3),形成明显的等离子体吸收,屏蔽系数的时间变化特征复杂.本文对掺杂金属聚合物烧蚀羽流的屏蔽特性进行了定量研究,可为激光烧蚀推进性能优化提供参考.     

飞秒激光烧蚀固体靶的冲击压强

在明确飞秒激光与物质相互作用过程中冲击压强和冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝、铜、硅三种固体靶过程中的冲击压强与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀固体靶的时间分辨泵浦探测阴影图提取了冲击压强的绝对值. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料以及飞秒激光推进技术有重要意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 冲击压强 冲击温度     

其他应用

TN2492007010292脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展=Research statusand development of pulsed laser ablation technology[刊,中]/徐兵(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室.浙江,杭州(310014)),宋仁国…//光电子技术.—2006,26(2).—介绍了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状,并对其发展前景进行了展望。同时将该项技术分为纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀这三个阶段。介绍了该项技术在纳米材料方面的应用。(于晓光)TN2492007010293激光清洗硅片表面Al2O3颗粒的试验和理论分析=Ex-peri mental and theoreti…     

甘油的黏度对激光等离子体推进的影响

以液体甘油为烧蚀靶材,研究了不同环境温度下超短脉冲激光烧蚀后产生的等离子体的推进特性.实验结果表明:甘油产生的动量和烧蚀压力与环境温度密切相关,其原因是甘油的黏度受温度影响较大.     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

飞秒激光脉冲作用下氧化镁的烧蚀及其超快动力学过程

研究了双面抛光氧化镁单晶（111）表面800 nm飞秒激光单脉冲烧蚀阈值和激光脉宽的依赖关系.利用泵浦-探针技术，测量不同能量和脉宽作用下飞秒激光烧蚀的时间分辨反射率的演化.通过扫描电镜观察其烧蚀形貌，发现大量的沿氧化镁［100］晶向开裂的裂纹.讨论了表面裂纹的形成机理，并解释了飞秒激光烧蚀氧化镁的超快动力学过程.     

“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。     

激光等离子体推进技术的研究进展

传统的采用化学燃料来驱动火箭升空的技术由于昂贵的发射费用、低的载荷比、复杂的发射操作运转模式、重复使用困难等缺点而一直困扰着人们对太空的进一步探索．但随着激光技术与航天技术的飞速发展，激光作为一种先进推进技术逐步呈现出其他推进技术不可比拟的优势和发展前景．文章对激光等离子体推进技术的工作原理和研究现状做了介绍，并对激光等离子体在驱动微型飞行器方面目前存在的技术问题和研究热点进行了简述．     

Thrust enhancement via gel-type liquid confinement of laser ablation of solid metal propellant

Laser propulsion has been developed as a suitable small thruster technology for the attitude control of micro and nano class satellites. Laser-based thrusters meet the satellite design criteria for being of light weight and cost effective, because they do not require fuel storing and oxidizer for combustion. Also, thrust control by laser propulsion is achieved fairly easy. In this paper, we consider the confinement of plasma expansion by a gel-type liquid material, which results in the enhancement of the thrust for propulsion. We also present our attempts to resolve some known issues regarding laser ablation of solid and liquid targets. The level of thrust is quantified via the momentum coupling coefficient, which was experimentally measured using a ballistic pendulum system. We have discovered that the laser ablation confinement by the gel-type medium results in 2.3 times more enhanced driving force as compared to the water confinement. A proof of performance is demonstrated for using gel-type material for generating propulsion, and material characterization for optimal thrust performance is presented.     

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。     

靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

激光等离子体推进技术研究新进展

随着激光技术的发展，激光等离子体推进技术越来越来呈现出其独特的优势，现在已成为当前科学研究和推进领域的研究热点之一．文章对激光等离子体推进技术的应用以及目前的研究进展进行了总结．     

Measurement of ablative laser propulsion parameters for aluminum, Co–Ni ferrite and polyurethane polymer

Laser ablation propulsion is a form of beam-powered propulsion in which a pulsed laser ablates a target material thus producing thrust. We report in this work the measurements of various parameters related to laser-induced micropropulsion in toluene diisocyanate-based polyurethane polymer, aluminum and Co–Ni ferrite. The targets were irradiated by a Q-switched pulsed Nd–YAG laser at 1064 nm (pulse duration 5 ns) under atmospheric conditions. A contact-free optical triangulation method was used to measure the laser ablation induced thrust in the samples. The measurements and calculations depict that Co–Ni ferrite is better in terms of critical propulsion parameters C _m and I _sp. It has been observed that the propulsion parameters depend on the energy per pulse of the incident laser beam.     

激光推进的初步数值模拟研究

激光与等离子体相互作用研究的一个重要应用背景是激光推进,本文采用二维数值模拟方案,对激光推进所涉及的激光维持等离子体的特性进行了一些初步研究。研究中考虑了工质对激光能量的吸收与辐射热损失,以及吸收室形状对激光维持等离子体特性的影响。模拟结果有助于了解激光推进中激光维持等离子体产生的物理机制及有关的复杂流动与传热现象。