基于pvdf传感器的单脉冲激光推力加载过程研究

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<76=>(，*++,!文章编号：!"++"?$@**（*++,）+$?+AA@?+A!基于!"#$传感器的单脉冲激光推力加载过程研究"，**"**崔村燕，!洪延姬，!何国强，!杨!健，!王俊花（"%西北工业大学航天学院，西安,"++,*；!*%装备指挥技术学院，北京"+"$"B）!!摘!要：!利用高频响应材料0%8C作为敏感元件，建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统，并用!@,DD分离式-&=EFGH&G压杆装置对该测试系统进行动态标定。标定结果

2、显示，在+I"A+<0J范围内，0%8C传感器（ADDKADD）的压电特性呈线性，动态压电系数经线性拟合后为*+=:L)。用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下，旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线，并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析。实验结果表明，该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征。!!关键词：!激光推力器；!测试系统；!脉冲推力；!分离式-&=EFGH&G压杆；!标定!!中图分类号：!1$@#；!9)*$#!!!!文献标识码：!6!!推力通常是各类航空航天发动机的重要技术指标。一般情况下，关注较多的是发动机获得的平均推力和推力的作用效果，而忽视推力的加载过

3、程。但是在一些发动机的设计过程中，研究推力的加载过程非常必要，如激光发动机的喷管设计过程中，必须通过推力曲线的对比分析，优化喷管构形，使其获得最佳的冲量耦合系数；对于脉冲爆震发动机来说，推力加载过程也是获得发动机重要性能指标的关键。!!目前，获得发动机推力加载过程的实验手段比较有限，最直接的方法就是用力传感器作为敏感元件，辅以示波器等数据采集记录系统，获得推力随时间的变化曲线。本文以0%8C压电薄膜作为敏感元件，建立了一套瞬态脉冲推力测试系统。&’实验原理!!0%8C瞬态脉冲推力测试系统示意图如图"所示，主要由936:1*激光器、抛物形推力器、987@+@*;数字示波器

4、、0%8C传感器、铝杆和0:机组成。［"?@］!!0%8C传感器的测量模式有两种：电流模式和电荷模式，本文采用电流模式，如图*所示。CFM("!7ENOPQDJ=&RFGHOJGOJGN&SHOQ>SHOCFM(*!9NHOPF>PSFO&RN’NPO>FPPS>>NGOD&VNONHOHTHONDUJHNV&G0%8CHNGH&>图*!电流模式测试电路图"!0%8C瞬态推力测试系统示意图!!设瞬态波形存贮仪的电阻为!;，则!D%!;%!（"#）$&（#）（"）!!;式中：!D为匹配电阻；!为0%8C两端的并联电阻；’（#）为示波器测得的电压；（"#）为0%8C的充电电

5、流。若用高阻档记录，即!;W"<"，且有!;"!D，!;"!，则##&（#）&（!）（"#）#，!!(（#）$$（"!）V!#$V!（*）!++!由（"），（*）两式可得压力为!收稿日期：*++,?+*?"*；!!修订日期：*++,?+$?"+基金项目：国家#,@项目资助课题；新世纪优秀人才支持计划和国家自然科学基金项目资助课题（"+B,*"X$）作者简介：崔村燕（"#,,—），女，安徽省怀远县人，博士生，讲师，从事推进技术研究；PPTBBAAY"*B(P&D。JJ)强激光与粒子束第#N卷""$（"）!（’!）"!#!(（!）"!!!（!"）##"（$）%&%&&%)式

6、中：&为%&’(传感器的动态灵敏度系数；%为传感器的有效面积。则推力随时间的变化关系式"#!(（!）"!!*（"）#!（"）%#（)）&)!"#$%&传感器的动态标定!’("动态标定原理**在电流测量模式下，应力波脉冲通过%&’(传感器时的放电过程如图+所示。%&’(薄膜两面分别为#面（负极）和+面（正极），受到的瞬时应力为"#和"+，当"#,"+-!时输出正向电流，当"#,"+.!时不输出电流，当"#,"+/!时输出负向电流。如果%&’(正负极反接，放电过程及测得电压（电流）信号则与图+相反。**%&’(的动态标定是在!$011分离式234567837压杆装置上进行的

7、，将传感器放在试件的位置上，如图$［#9+］和图)所示。(6:;$*<=>?@6A=4386@6373B674C@93C@4C@D?E?7"8?14>=图$*输入杆9试件9输出杆的相对位置示意图(6:;)*F5=@GH1?43B8=4?E?@=2345678374E=88CE=D?E8（F2%I）图)*分离式234567837压杆（F2%I）装置示意图**设波形存贮器获得的%&’(测量电路的电压信号为+（"），则%&’(输出的电流为+（"）+（"）（’"）#，**"$#"",-"+（J）)),#+式中：$为%&’(输出的电荷量；-为电路系