激光推力器喷管热防护实验研究

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1、!第"#卷!第"$期强激光与粒子束%&’("#，)&("$!!$**+年"$月,-.,/0123456235)7/538-942:25;67<=(，$**+!文章编号：!"**">?@$$（$**+）"$>"ABA>*B!激光推力器喷管热防护实验研究"$$"文!明，!洪延姬，!王!军，!杨!健（"!装备指挥技术学院研究生院，北京"*"?"+；!$!装备指挥技术学院基础部，北京"*"?"+）!!摘!要：!基于激光推力器喷管热烧蚀因素分析，初步提出了反射式和吸收式两种喷管热防护方法，并相应设计了两种喷管。以"*C1级脉冲式90$激光器为光源，三

2、次反射激光推力器为对象，进行了两种方式下两种喷管的热防护初步实验研究。结果表明：两种喷管均发生不同程度烧蚀，与相对聚焦位置和激光作用时间有关；反射式热防护通过喷管光学表面对透射激光能量进行二次聚焦，以及良好的循环冷却，可能成为将来激光推力器喷管热防护的备选方案之一。!!关键词：!激光推力器；!喷管；!反射式热防护；!吸收式热防护；!烧蚀!!中图分类号：!0?@A；8)$?A!!!!文献标识码：!5!!激光推力器中，喷管用于约束激光支持的爆轰波（最终演化为激波）实现“光>力”转换，而长期处于高温高压工作环境。其面临的热力冲击严重程度目前还没有

3、定量数据描述。但可以预见，由于激光引起的工质等离子体温度高达几万D，远高于火箭发动机的工作温度，所以会比化学火箭发动机严重得多。"AAEF$***年，;GHIJ&教授在新墨西哥州白沙导弹靶场和)565联合进行的垂直推进演示实验中已充分认识到热、力冲击破［"］坏的严重性。大气呼吸模式时，铝合金塞式激光推力器的最大升高仅为@*K，工作时间不能超过?L或"**脉冲，否则推力器将在空中发生熔化或解体；$***年他们在激光反射焦点处放置一种聚合物工质（M<’HNO），意外起到热防护效果，将推进高度提高到E"K，飞行时间达到为"$(EL。实验中所用的脉

4、冲90$激光器平均功率"*C1，B**PQ脉冲，重复频率$B,R。文献［$］初步估算了$**CK近地轨道激光推进单级入轨发射任务要求的激光功率为;1级，入轨推进时间约$**L，远高于;GHIJ&垂直推进实验的指标。激光推力器喷管热防护成为激光推力器研究的必须解决的重大关键问题之一。!!但激光推力器喷管热防护的相关研究并没有广泛展开。世界各国激光推力器模型的工作时间均较短，并没有采取热防护措［@>+］施，热量只能由喷管壁面沉积吸收，直到接近破坏温度为止。在三线轨道水平推进实验中清晰观察到喷管烧蚀现象。单脉冲能量@*P，重复频率$**,R脉冲9

5、0$激光辐照下，壁厚*(BKK，质量#T的抛物型实验件在$L内严重烧毁，如图"所示。由于同时破坏了聚焦与喷管部件，实验件失效。!!本文分析了造成激光推力器喷管热损坏的主要因素，进行了两种方式下两种喷管热防护的初步实验研究。结果发现喷管发生不同程度烧蚀，与相对聚焦位置和激光作用时间等因素有关。SNT("!8&U&VUIHIJ&’&NM

6、脉冲激光聚焦后击穿工质，产生激光支持的爆轰波（最终演化为激波）与喷管耦合实现“光>力”转换，喷管面临恶劣的热力冲击环境。文献及实验表明，喷管热防护因素主要包括@方面：聚焦区工质被击穿产生高温等离子体，其中心温度可以达到上万D，对喷管内壁形成热辐射；等离子体膨胀，爆轰波或激波传播过程中，波后气体温度、压力显著升高，并与喷管壁面接触，热传导因素突出；工质等离子体区对!收稿日期：$**+>*?>"#；!!修订日期：$**+>*#>"?基金项目：国家AE@项目资助课题；新世纪优秀人才支持计划资助课题作者简介：文!明（"AE#—），男，湖北武汉人，博

7、士研究生，从事激光推进技术研究；ZY[N

8、部分激光穿透等离子体区域，经过汇聚后将直接辐照在喷管壁面上。（*）中圆环的不对称性是由于光路调节或等离子体属性引起的。+,-$’&./0/*0,1-2/34503675)3/2(