激光參量對(duì)激光推進(jìn)中沖量耦合系數(shù)的影響.pdf

1、激光推進(jìn)作為一種新型的推進(jìn)技術(shù)，在微小衛(wèi)星發(fā)射、空間碎片清除、衛(wèi)星軌道調(diào)整等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。自1972年由Kantrowitz提出這一概念以來，受到世界各國的廣泛關(guān)注。本文圍繞大氣呼吸模式脈沖激光推進(jìn)，采用TEACO2激光器，從實(shí)驗(yàn)的角度研究了激光參數(shù)對(duì)沖量耦合系數(shù)的影響。 針對(duì)激光推進(jìn)所采用的拋物面型飛行器，通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)拋物面型飛行器聚焦?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了分析。模擬了平頂光束、高斯光束在焦平面處激光束的能流分布三維特征圖像

2、，從而確定空氣光學(xué)擊穿的點(diǎn)火區(qū)形狀和大??；并模擬了入射激光的光軸與飛行器主軸偏離時(shí)，反射光束的聚焦三維特征。 針對(duì)大氣呼吸模式激光推進(jìn)，利用可調(diào)諧TEACO2激光器，選取CO2激光光譜中0001～1000帶和0001～0200帶中增益較強(qiáng)的四支譜線10P(20)、10R(12)、9P(28)及9R(14)進(jìn)行了空氣擊穿閾值和沖量耦合系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大氣呼吸模式激光推進(jìn)中，空氣的擊穿閾值隨激光波長的增大而降低，激光

3、波長對(duì)激光推進(jìn)的沖量耦合系數(shù)沒有明顯的影響。 采用最大輸出脈沖能量為100J量級(jí)的TEACO2激光器，實(shí)驗(yàn)研究了從13J到80J范圍內(nèi)的激光脈沖能量對(duì)大氣呼吸模式激光推進(jìn)沖量耦合系數(shù)的影響。結(jié)果表明當(dāng)脈沖能量在80J到24J間變化時(shí)，沖量耦合系數(shù)沒有明顯變化，當(dāng)脈沖能量下降至22J以下時(shí)，沖量耦合系數(shù)下降52﹪。文章從理論上對(duì)這一特性進(jìn)行了初步的分析，并通過改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境氣體壓強(qiáng)進(jìn)行了驗(yàn)證。 通過改變激光混合氣體比例及壓強(qiáng)

4、，控制激光器脈沖輸出波形，將激光的脈沖寬度壓縮近50﹪。在此基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明：對(duì)于大氣呼吸模式TEACO2激光推進(jìn)而言，在不影響工質(zhì)擊穿的情況下，減小脈沖前段起擊穿工質(zhì)作用的尖峰部分占整個(gè)脈沖能量的比例，將有利于獲得高的沖量耦合系數(shù)，脈沖寬度大于二維運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間時(shí)，獲得的沖量耦合系數(shù)也將高于脈沖寬度偏小時(shí)所獲得的沖量耦合系數(shù)。 設(shè)計(jì)了觸發(fā)間隔從100ms到5ms可調(diào)的雙脈沖觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)TEACO2激光器高壓開關(guān)

5、，模擬激光器不同的輸出脈沖重復(fù)頻率。采用該裝置在精確控制的不同激光脈沖重復(fù)頻率下，對(duì)拋物面型飛行器模型進(jìn)行大氣模式激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明沖量耦合系數(shù)隨著脈沖重復(fù)頻率的增加而下降，而單位時(shí)間內(nèi)沖量耦合系數(shù)的增量則隨著脈沖重復(fù)頻率的增加而增大。 為解決激光推進(jìn)自由飛行演示中，飛行器垂直飛行的穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)發(fā)射平臺(tái)裝置。在飛行器起飛前，對(duì)其施加一定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到700rpm時(shí)，質(zhì)量為4.2g，焦距為10mm的拋物面型