燒蝕模式激光推進的實驗研究

1、燒蝕模式激光推進的實驗研究燒蝕模式激光推進的實驗研究?蔡建胡曉軍唐志平（中國科學技術(shù)大學激光推進實驗室中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，合肥230027）摘要摘要：激光推進是利用強激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的高速反噴來進行驅(qū)動的。本文采用CO2激光器和固體推進劑對三種構(gòu)形的拋物型激光推力器模型進行了燒蝕模式下的單脈沖、多脈沖連續(xù)推進的對比實驗。單脈沖實驗獲得的最高沖量耦合系數(shù)達到27dynew，發(fā)現(xiàn)多脈沖連續(xù)推進時的沖量耦合系數(shù)有較大幅度

2、的下降并對此進行了分析。本文嘗試采用PVDF薄膜傳感器，測量了推力器內(nèi)壁的瞬態(tài)壓強，并采用熱像儀對推力器的外壁溫升進行了連續(xù)記錄，為進一步研究激光能量轉(zhuǎn)化為推力的機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，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V439.3文獻標志碼：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)為中國科學技術(shù)大學力學與機械工程系在讀博士生。Email：.引言引言激光推進是利用強激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的高速反噴來進行驅(qū)動的。自1972年Kantrowitz提出這一設想以來【1】，激光推進一直備受關(guān)注，尤其是1990年代激光推進研究取得了一系列的進展和突破【2－3】。目前，對于激光推進的基本原理、驅(qū)動方式已有較明確的認識，驅(qū)動模式大致可分為大氣（吸氣）模式和火箭（燒蝕）模式。當推力器

8、位于大氣層內(nèi)時，可吸入大氣作為工質(zhì)，稱之為“大氣模式”或“吸氣模式”，這時推力器并不消耗自身的質(zhì)量。當處于大氣上層（30km以上）或外空間時，該模式已不足以產(chǎn)生所需的動力，這時轉(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到10000K以上，所以能夠產(chǎn)生高于常規(guī)化學火箭的比沖，提高入軌的有效載荷比。國際上有關(guān)激光推進和激光推力器機理已經(jīng)進行了廣泛的實驗研究[49]，國

9、內(nèi)自光能量產(chǎn)生的耦合沖量的大小，它是衡量激光推進效能的重要指標之一，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)生的動量變化。（2）mFCP=式(2)中，F(xiàn)表示激光推進產(chǎn)生的耦合推力，P表示輸入激光功率。由（2）可見，當輸入激光功率不變時，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沖量擺單脈沖測試原理圖Fig.2Schematicofsinglepulsepropulsio

10、nexperiment1.4多脈沖實驗研究從單脈沖實驗中優(yōu)選出耦合系數(shù)較高的工質(zhì)繼續(xù)進行多脈沖的連續(xù)水平推進實驗，并研究燒蝕模式下與頻率的關(guān)系。實驗原mC理如圖3所示，將推力器固定在滑動支架之上，支架安放在氣墊導軌之上，這樣是為了保證支架在移動過程中所受的摩擦力極小。通過攝像機記錄連續(xù)激光脈沖加載后支架在氣墊導軌的移動距離，由攝像機拍攝頻率（30fs）可以計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)棒推力器氣墊導軌支架激光束圖3水平多脈沖測試原理圖Schematicofmultipulsepropulsionexperiment1.4熱力沖擊實驗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、溫度測試實驗原理圖Fig.4Schematicofpressuretemperatureexperiment原理如圖4所示：準直激光經(jīng)拋物面匯聚后，在焦點O處燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生等離子體噴