由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟

采用单流体模型描述由强激光产生的烧蚀等离子体,并用具有五阶精度的广义Godunov差分格式——加权本质无振荡格式对该模型进行离散化,考虑激光与等离子体相互作用和能量耦合,数值模拟强激光与固体靶相互作用时产生的烧蚀等离子体随时间演化的物理过程,给出数值模拟结果,并对其进行分析和讨论.数值模拟结果表明,激光能量在靶面等离子体中被强烈吸收,激光支持LSD(Laser Supported Detonation)波速度约为理想LSD波速度的一半.     

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。     

靶与光斑尺寸对激光冲量影响的数值模拟

采用二维雷诺平均N-S方程,数值模拟研究了大气条件下短脉冲激光与固体靶相互作用所产生等离子体的动力学过程。采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解。数值模拟给出了激光引发靶蒸气等离子体侧向膨胀、稀疏等二维流体动力学过程的物理图像,讨论了靶与光斑尺寸对脉冲激光冲量的影响。结果表明,不同宽度固体靶受到的激光冲量有很大差异,固体靶宽度越大,受到的激光冲量也越大。     

激光支持等离子体流场的2维动态数值模拟

 采用高温气体（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，给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并同理论模型结果进行了比较。结果表明：不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大，但两者只有接近一倍的差距，并无数量级的差别。考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的。     

靶结构对激光等离子体动量耦合系数的影响

强激光与靶相互作用产生的等离子体可以作为一种新型的推进源.就强激光与靶相互作用过程中，靶结构对激光等离子体动量耦合系数的影响进行了研究.结果表明，相对于无约束的平面靶，坑靶将动量耦合系数提高了5倍，而约束的平面靶将动量耦合系数提高了10倍以上.分析发现，对等离子体的有效约束是提高动量耦合系数的主要原因. 关键词： 激光等离子体 推进 动量耦合系数     

喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响

"烧蚀模式"激光推进是利用强激光烧蚀推力器自身携带的工质产生的高温高压气团反喷进行驱动的,推力器的喷管构型对推进性能有重要影响。鉴于此,从实验和数值模拟两个方面研究了喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响。实验发现,衡量推进性能的2个主要参数冲量耦合系数和比冲均随着喷管长度的增加而增加,不过前者的增长呈渐缓趋势。综合考虑推进参数和推力器自重的影响,导出了推力器获得最大单脉冲速度增量(ΔvT)的最佳喷管长度公式。数值模拟得到的不同喷管长度推力器推进参数的变化规律与实验结果基本吻合:若喷管长度过短,则高压气体未能充分作用于推力器就被排出筒外,造成了能量的浪费;若喷管长度过长,筒内压力的衰减则成为影响推进性能的主要因素,从而解释了直筒型推力器的推进性能的增长趋势随喷管长度增加而逐渐趋缓的原因。     

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     

超短脉冲强激光与固体靶作用产生的高次谐波红移

用一维粒子模拟程序研究了超短脉冲强激光与超临界密度等离子体平板作用产生的高次谐波。分析了振荡镜面模型所不能解释的伴随高次谐波出现的频率红移现象。通常激光与固体靶作用中的高次谐波是由于激光从振荡靶面的反射产生的.除此之外，相对论光强的激光与固体靶作用还应考虑光压对靶的烧蚀推进作用，这时激光相当于从一个移动的振荡靶面反射，所以产生了带有红移的高次谐波. 关键词： 红移 超短脉冲强激光 高次谐波 粒子模拟     

热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明:等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。     

“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。     

Solid-like ablation propulsion generation in nanosecond pulsed laser interaction with carbon-doped glycerol

A solid-like propellant of carbon-doped glycerol ablated by a nanosecond pulsed laser is investigated. The results show that the specific impulse increases with increasing carbon content, and a maximum value of 228s is obtained. The high specific impulse is attributed to the low ablated mass loss that occurs at high carbon content. More importantly, with increasing carbon content, the properties of the doped glycerol approach to those of a solid. These results indicate that propulsion at the required coupling coefficient and specific impulse can be realized by doping a liquid propellant with an absorber.     

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。     

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．     

Laser propulsion with a high specific impulse using a thin film propellant

A new laser propulsion scheme with a high specific impulse is proposed in this paper.An extremely thin polyimide film is used as the propellant to eliminate thermal diffusion and sputter from the target material.It is found that a high specific impulse of 1520 s can be achieved at 10 11-W/cm 2 laser intensity because of economic use of the propellant.The influences of the laser intensity and the ablation area on the specific impulse are also studied in the experiment.     

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.     

The ALP-PALS project: optimal coupling for laser propulsion

Ablative laser propulsion (ALP) could revolutionize space travel by reducing the 30:1 propellant/payload ratio needed for near-earth orbit 50-fold. Experiments to date have demonstrated the necessary efficiency, coupling coefficient, and specific impulse for application, but were performed at pulse energies and spot sizes much smaller than required and at wavelengths not usable in the atmosphere. Prior experiments have also not simultaneously measured the properties of the ions produced or of the ablated surface, properties that would allow full understanding of the propulsion properties in terms of ion characteristics.

The first realistic measurements of laser propulsion parameters are proposed using PALS (Prague Asterix Laser System), the important parameters of which (pulse energy (～ 1 kJ), pulse length (400 ps), beam diameter (～ 29 cm), and flat beam profile) equal those required for application. The PALS wavelength is a little short (1.3 μ m vs.>1.5 μ m) but is closer than any other laser available and PALS’ 2ω/3ω capability should allow extrapolation to application values. The PALS’ proven infrastructure for measuring laser-driven ion properties means that only a ballistic pendulum for measuring momentum transfer will have to be added.     

激光等离子体动量转换效率的实验研究

强激光与固体靶相互作用时，产生的高速喷射的等离子体对靶具有强烈的反冲作用，因此，激光等离子体可以作为一种新型的推进动力源.与传统的化学燃料推动相比，激光等离子体具有较高的比冲和有效载荷比等特点.对纳秒激光脉冲与铝、石墨、铅和碳氢靶相互作用时，等离子体对靶的冲量进行了实验测量，研究了大气与真空环境下的靶动量与激光聚焦面积的关系，并对部分实验结果与理论计算的数值进行了比较.实验结果显示，大气与真空环境下的靶动量有很大的差异，并且真空下的靶动量受材料性质的影响较大，与以往长脉冲激光的实验结果有很大的不同. 关键词： 激光等离子体 动量 动量耦合系数     

“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.     

Characteristics of droplets ejected from liquid glycerol doped with carbon in laser ablation propulsion

The characteristics of droplets ejected from liquid glycerol doped with carbon are investigated in laser ablation propulsion. Results show that carbon content has an effect on both the coupling coefficient and the specific impulse. The dopedcarbon moves the laser focal position from the glycerol interior to the surface. This results in a less consumed glycerol and a high specific impulse. An optimal propulsion can be realized by varying carbon content in glycerol.