固態(tài)工質(zhì)激光推進(jìn)的機(jī)理研究.pdf

1、激光推進(jìn)是利用高功率激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高溫高壓等離子體反噴產(chǎn)生推力驅(qū)動(dòng)飛行器前進(jìn)的一種新概念推進(jìn)技術(shù)。固態(tài)工質(zhì)由于其易加工，可操作性強(qiáng)，成為燒蝕模式的首選工質(zhì)形態(tài)。本文就固態(tài)工質(zhì)的燒蝕模式激光推進(jìn)進(jìn)行探討，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)等手段，深入研究該推進(jìn)模式的物理機(jī)制和推進(jìn)力學(xué)效應(yīng)，得到了一些有意義的結(jié)果。 建立了激光輻照下固態(tài)靶蒸汽等離子體形成的動(dòng)態(tài)燒蝕耗能模型和光線跟蹤激光能量等離子體吸收模型。結(jié)合等離子體理想狀態(tài)方程，采用W

2、ENO空間差分格式和Runge-Kutta時(shí)間離散格式編寫(xiě)了二維軸對(duì)稱流體力學(xué)程序LDAP-2D，該程序能夠完整地計(jì)算激光作用下固態(tài)單原子靶的動(dòng)態(tài)燒蝕、蒸汽等離子體噴射以及流場(chǎng)演化的整個(gè)過(guò)程。大大提高了流場(chǎng)和推進(jìn)性能的計(jì)算精度。 跟蹤脈沖激光能量在等離子體流場(chǎng)中的吸收過(guò)程，發(fā)現(xiàn)微秒量級(jí)脈寬時(shí)間內(nèi)激光被吸收的過(guò)程與流場(chǎng)膨脹發(fā)展相耦合，使得激光吸收過(guò)程出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。追蹤脈寬時(shí)間內(nèi)激光能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及激光熄滅后流場(chǎng)膨脹過(guò)程中流場(chǎng)內(nèi)

3、能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，短波長(zhǎng)利于將激光能量向流場(chǎng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化并維持流場(chǎng)中較高的動(dòng)能轉(zhuǎn)化率，提高激光推進(jìn)的能量利用率。 固定入射激光功率，研究脈沖能量、功率密度等對(duì)推進(jìn)效應(yīng)的影響。激光脈沖能量增大，工質(zhì)靶獲得的沖量增大；同一功率密度下，脈沖能量增大，沖量耦合系數(shù)減?。槐葲_隨脈沖能量的增大而增大。同一脈沖能量下，沖量耦合系數(shù)隨功率密度的增大呈指數(shù)衰減；比沖隨功率密度的變化不大。 針對(duì)應(yīng)用于激光推進(jìn)的激光器的波長(zhǎng)——1.06μm

4、、1.315μm、3.8μm以及10.6μm進(jìn)行研究，沖量耦合系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而變小，比沖隨波長(zhǎng)增大而變大?？紤]綜合推進(jìn)效應(yīng)，波長(zhǎng)適中(1.315μm和3.8μm)的激光比較理想。 對(duì)鋁、碳、鐵和銅四種工質(zhì)靶材進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)原子量適中的工質(zhì)材料綜合推進(jìn)效應(yīng)較好，追蹤其能量轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，短脈沖時(shí)，逃逸速度大不利于提高動(dòng)能轉(zhuǎn)化率和激光推進(jìn)的能量利用率。同一功率密度較長(zhǎng)脈寬下，流場(chǎng)動(dòng)能和內(nèi)能出現(xiàn)振蕩，動(dòng)能轉(zhuǎn)化率可以多次達(dá)到最大，但

5、是對(duì)推進(jìn)效應(yīng)貢獻(xiàn)不大。幾十到幾百納秒量級(jí)的脈寬對(duì)材料的綜合推進(jìn)效應(yīng)較好。 對(duì)激光輻照固態(tài)工質(zhì)材料產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行光譜診斷。記錄了六種材料(鋁、銅、鋼、石墨、PVC和POM)的發(fā)射光譜，研究了它們隨脈沖能量的變化規(guī)律。在局部熱平衡假定下，由鋁和銅特征譜線的相對(duì)強(qiáng)度得到了二者的電子溫度，范圍為(7.9-25)×10<'3>K；由譜線展寬得到鋁等離子體的電子密度在(4-9)×10<'17>cm<'-3>范圍內(nèi)。還利用相機(jī)B門(mén)拍攝到真