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。     

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。     

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。     

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。     

两种构形喷管的激光推进冲量耦合系数数值研究

提炼了由入射激光能量、能量沉积率、环境气体压强、喷管母线长度及其半顶角组合而成的圆锥形喷管无量纲因子,并将其推广到抛物形喷管的研究中。用辐射流体力学计算程序计算了4种半顶角下圆锥形和抛物形喷管的冲量耦合系数随无量纲因子的变化规律。计算结果表明：两种喷管的冲量耦合系数都存在极大值,极大值对应的无量纲因子约为0.4;无量纲因子相同时,半顶角越小,冲量耦合系数越大;同等条件下抛物形喷管的冲量耦合系数高于圆锥形喷管的冲量耦合系数。     

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2.8×104～1×105 Pa，即距离地面0～10 km时，冲量耦合系数大约3.5×10-4 N·s·J-1，上下波动幅度低于5%；气压低于2.8×104 Pa，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1×103 Pa，即距离地面约31 km高度时，耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J-1。     

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2.8×104～1×105 Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4 N·s·J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104 Pa,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1×103 Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J-1。     

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2.8×10⁴～1×10⁵ Pa，即距离地面0～10 km时，冲量耦合系数大约3.5×10^-4 N·s·J^-1，上下波动幅度低于5%；气压低于2.8×10⁴ Pa，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1×10³ Pa，即距离地面约31 km高度时，耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J^-1。     

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。     

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。     

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.     

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。