推力器热效应以与金属掺杂工质激光推进实验.研究

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1、中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：≯p6年6第1章绪论第1章绪论自1970年

2、4月24号，我国第一颗人造地球卫星“东方红”号顺利升空，到2007年10月24日“嫦娥一号”月球探测卫星的顺利发射，在不到40年问，中国的航天事业蒸蒸日上，渐渐成为世界“航天俱乐部”不可忽视的重要一员。航天技术不仅是一个国家国防、军事的重要标志，而且涉及到工业、农业、制造业等等与老百姓息息相关的各行各业。毫无疑问航天技术是当今科技发展的象征，是探索地球、太阳系、银河系乃至整个宇宙的新起点，也是人类开发和利用太空资源的现代高技术手段。近年来，我国越来越重视航天技术的科研投入，由国务院正式批准绕月探测工程即“嫦娥工程"就是一个重要的里程碑，对认识月球、合理利用月球资源以及国民

3、经济的可持续发展都将产生深远影响。自人类步入2l世纪，能源短缺越来越成为制约社会可持续发展的瓶颈，而现代国防、军事、通讯等等各行各业对卫星质量以及数量的要求越来越高，如何在发射火箭时节约能源、减少成本、提高效率以及成功率成为研究推进技术的一个重要方向。传统火箭推进采用化学火药推进，成本高、污染大，而且效率极低。其最高温度只有4000—5000K，比推力上限4000—5000Ns／埏，比冲低(<500s)，另外，因为传统化学火箭推进的推进剂和能源是合二为一的，所以有效荷载比很低，只有1％左右，而且具有危险性，所排放的大量尾气也会造成环境污染。由于传统火箭发射效率很低，所以发

4、射成本非常昂贵，低轨时每千克有效质量大概需要10000美元，而到达高轨道时每千克有效质量甚至突破60000美元。由于受推进剂化学能的限制，其推力很难提高，同时，其发射操作运转模式复杂，重复使用困难。所以各国科技工作者积极探索新的火箭推进方法。世界上第一台激光器诞生于1960年，激光的问世，由于其方向性好、相干强且能量集中等诸多优点使得人们对这一能源充满了期待。在医疗、加工、探测等领域已经取得了突破性进展，同时也在国防、军事等高科技领域发挥了举足轻重的作用。在激光辐照靶物质的相互作用过程中，人们发现激光轰击靶材后，产生的等离子体喷射对固体靶的反推效果很明显，由此开始了利1第

5、l章绪论用激光作为能源的一种新型推进方式的探索。1．1激光推进的基本概念激光推进(LaSerPropulsion)的概念是由AVeoEverett实验室的A．Kantrowitz于1972年首先提出来的【l】。激光推进和传统火药推进都是利用反冲作用来实现的。所不同的是激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的反作用力推动飞行器前进。如图1．1所示，激光推进系统主要包括激光系统、光束发射与控制系统、光船(Li曲tcraft)三部分。由激光系统提供能量，光束发射与控镧系统对激光的方向，光斑大小、发散角等进行调节，最后调整好的光线轰击光船内的空气或其他工质，产生等离予体反向喷射

6、，推动光船前进。并且由光束发射与控制系统实时根据光船的位置、速度、倾斜角调整光线的方向、能量密度等参数，以动态的改变激光参数从而改变光船所受力大小和方向。图1．1：激光推进系统的工作示意图与传统的化学推进相比，激光推进在概念上的创新主要归结为两个分离：(1)工质和能量分离；(2)飞行器和能源系统分离。工质傲功的能量由外来激光注入，工质能量密度不受传统化学推进剂化学能的限制，因而可以大幅度提高比冲和推进效率。第二个分离使飞船不必携带笨重的能源系统，进一步减轻飞船的重量，有效载荷比可达15％以上，大大降低发射成本【2】。由2第l章绪论不足的限制，且可根据不同的条件选择不同比冲

7、岛和冲量耦合系数％的工质(岛和％是衡量工质性能的两个最重要参数)，灵活性更高。采用火箭模式，根据等离子流速方向和激光方向的不同，可以分成透射式和反射式两利-如图图1．3a、b示，反射式即激光束的前进方向与等离子流的流融蝴S雕图1．3：反射式(a)以及透射式(b)示意图速方向相反，也就是说激光束的方向与火箭的前进方向一致，此种方法常用于大推进，用于火箭的发射和入轨，这种方法的优点显而易见，因为地面上获得能量相对比较容易，地面的激光装置可以稳定地、源源不断地为火箭提供能量，且易于控制与操作，但是由于此种方法激光束的方向与等离子流的