燒蝕模式激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究

1、燒蝕模式激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究燒蝕模式激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究?蔡建胡曉軍唐志平（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)激光推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230027）摘要摘要：激光推進(jìn)是利用強(qiáng)激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的高速反噴來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。本文采用CO2激光器和固體推進(jìn)劑對(duì)三種構(gòu)形的拋物型激光推力器模型進(jìn)行了燒蝕模式下的單脈沖、多脈沖連續(xù)推進(jìn)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。單脈沖實(shí)驗(yàn)獲得的最高沖量耦合系數(shù)達(dá)到27dynew，發(fā)現(xiàn)多脈沖連續(xù)推進(jìn)時(shí)的沖量耦合系數(shù)有較大幅度

2、的下降并對(duì)此進(jìn)行了分析。本文嘗試采用PVDF薄膜傳感器，測(cè)量了推力器內(nèi)壁的瞬態(tài)壓強(qiáng)，并采用熱像儀對(duì)推力器的外壁溫升進(jìn)行了連續(xù)記錄，為進(jìn)一步研究激光能量轉(zhuǎn)化為推力的機(jī)理以及熱力沖擊的影響提供了直接的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：激光推進(jìn)，燒蝕模式，CO2激光器沖量耦合系數(shù)，拋物型推力器中圖分類號(hào)V439.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AExperimentalInvestigationonAblationModeofLaserPropulsionJianCaiXi

3、aojunHuZhipingTang(LaserPropulsionLabatyLMBDDepartmentofModernMechanicsUniversityofScienceTechnologyofChinaHefeiChina230026)Abstract:Laserpropulsionisnewconceptualpropulsion.WithahighpowerTEACO2pulsedlaser(20Jpulse66150H

4、z)bothsinglemultipulsepropulsionexperimentsareconductedfthreekindsofparabolicthrusterswith3solidpropellantsPOMPMMAPVCrespectively.Thesinglepulseexperimentsgivethemaximummomentumcouplingcoefficient27dyneW(thrusterAwithPOM

5、).mCThefmultipulseexperimentsismuchlowerthanthesinglepulsecase.ThePVDFstressgaugesmCinfraredcameraareusedtomeasurethepressuretemperaturedistributionevolutiononthewallofthethrustersthemaximumtemperatureincreasef49pulsespe

6、akpressuremeasuredare110OC2.3MParespectively.Itsuggeststhethermomechanicalimpacteffectshouldbetakenintoaccountinthelaserthrusterstudy.Keywds:laserpropulsionablationmodeTEACO2pulsedlasermomentumcouplingcoefficientparaboli

7、cthruster通訊作者：蔡建（1979），男，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)與機(jī)械工程系在讀博士生。Email：.引言引言激光推進(jìn)是利用強(qiáng)激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的高速反噴來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。自1972年Kantrowitz提出這一設(shè)想以來(lái)【1】，激光推進(jìn)一直備受關(guān)注，尤其是1990年代激光推進(jìn)研究取得了一系列的進(jìn)展和突破【2－3】。目前，對(duì)于激光推進(jìn)的基本原理、驅(qū)動(dòng)方式已有較明確的認(rèn)識(shí)，驅(qū)動(dòng)模式大致可分為大氣（吸氣）模式和火箭（燒蝕）模式。當(dāng)推力器

8、位于大氣層內(nèi)時(shí)，可吸入大氣作為工質(zhì)，稱之為“大氣模式”或“吸氣模式”，這時(shí)推力器并不消耗自身的質(zhì)量。當(dāng)處于大氣上層（30km以上）或外空間時(shí)，該模式已不足以產(chǎn)生所需的動(dòng)力，這時(shí)轉(zhuǎn)為激光束燒蝕推力器自攜的工質(zhì)形成等離子體氣團(tuán)產(chǎn)生反沖力稱為“火箭模式”或“燒蝕模式”。由于激光等離子體的溫度可以達(dá)到10000K以上，所以能夠產(chǎn)生高于常規(guī)化學(xué)火箭的比沖，提高入軌的有效載荷比。國(guó)際上有關(guān)激光推進(jìn)和激光推力器機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究[49]，國(guó)

9、內(nèi)自光能量產(chǎn)生的耦合沖量的大小，它是衡量激光推進(jìn)效能的重要指標(biāo)之一，定義為：（1）()mmvCWD=其中，W是激光輸入能量，是激光推()mvD力器受激光輻照產(chǎn)生的動(dòng)量變化。（2）mFCP=式(2)中，F(xiàn)表示激光推進(jìn)產(chǎn)生的耦合推力，P表示輸入激光功率。由（2）可見，當(dāng)輸入激光功率不變時(shí)，的大小直接決定了mC推力器推力的大小。沖量擺推力器工質(zhì)棒圖2沖量擺單脈沖測(cè)試原理圖Fig.2Schematicofsinglepulsepropulsio

10、nexperiment1.4多脈沖實(shí)驗(yàn)研究從單脈沖實(shí)驗(yàn)中優(yōu)選出耦合系數(shù)較高的工質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行多脈沖的連續(xù)水平推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，并研究燒蝕模式下與頻率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原mC理如圖3所示，將推力器固定在滑動(dòng)支架之上，支架安放在氣墊導(dǎo)軌之上，這樣是為了保證支架在移動(dòng)過程中所受的摩擦力極小。通過攝像機(jī)記錄連續(xù)激光脈沖加載后支架在氣墊導(dǎo)軌的移動(dòng)距離，由攝像機(jī)拍攝頻率（30fs）可以計(jì)算出支架所獲得水平速度，再根據(jù)支架質(zhì)量就可求出多脈沖加載的耦合沖量和平均耦合系數(shù)

11、。配支架后的推力器總重量見表1。工質(zhì)棒推力器氣墊導(dǎo)軌支架激光束圖3水平多脈沖測(cè)試原理圖Schematicofmultipulsepropulsionexperiment1.4熱力沖擊實(shí)驗(yàn)研究波陣面入射激光R0G1G2熱像儀工質(zhì)X0X軸0?公式1OG3圖4壓強(qiáng)、溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4Schematicofpressuretemperatureexperiment原理如圖4所示：準(zhǔn)直激光經(jīng)拋物面匯聚后，在焦點(diǎn)O處燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生等離子體噴