水滴烧蚀模式多脉冲激光推进

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1、第２３卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．７２０１１年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２０１１文章编号：１００１４３２２（２０１１）０７１７３１０４水滴烧蚀多脉冲激光推进性能李修乾１，２，洪延姬２，文明２，叶继飞２，崔村燕２，陈正１（１．北京大学工学院，湍流与复杂系统国家重点实验室，北京１００８７１；２．装备指挥技术学院，北京１０１４１６）摘要：用实时的推力测试方法研究了水滴烧蚀模式多脉冲ＴＥＡＣＯ２激光推进的推进性能。用纹影法研究了伴随水滴烧蚀产生的激波等流场变化过程。多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数随激光脉冲重复频率的

2、变小和脉冲数目的增加而逐渐下降。与激光传输相反和相同方向的激波传播最大速度分别为１０ｋｍ／ｓ和７ｋｍ／ｓ。与纹影法结果同步获得的推力曲线表明：汽化过程对推力的形成过程贡献最大，激波也对推力的形成过程有一定贡献。关键词：多脉冲激光推进；雾化水滴；纹影；推进性能中图分类号：Ｏ４３９；ＴＮ２４９文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０７．１７３１水工质以其冲量耦合系数高、无污染、易储存等优点，近年来受到了学者们的广泛关注。学者们分别将水［１７］泡靶、水车、水溶液、水膜等用作工质，开展了单脉冲激光推进性能的实验研究工作。激光参数和喷管是影响水工质激光推进性能的重要因素，大部

3、分文献报道中，没有利用喷管开展研究工作，只是利用了水的激光击穿效应，测试了推力或者冲量，给出了冲量耦合系数的研究结果。有关激光脉冲重复频率等参数对水工质激光［８９］推进性能影响的报道还比较少。本文将尺寸为４０～８０的雾化水滴用作工质，用实时的压电传感器推μｍ力测试法开展了锥形喷管的多脉冲ＴＥＡＣＯ激光推进性能实验研究，研究了脉冲重复频率和脉冲个数对比２冲和冲量耦合系数的影响。利用纹影测试法研究了水滴烧蚀过程中的激波等流场变化过程，分析了推力产生过程中的主要影响因素。１实验１．１推力测试实验装置推力测试实验装置如图１所示，实验中，主光路位于竖直方向，传感器位于喷管和喷注器的正下方，这样就完

4、全避免了工质注入系统连接管路对实验测试带来的影［８９］响。在实验过程中只是工质注入系统工作，没有脉冲激光辐照时，没有检测到任何推力信号产生。实验中，激光器输出激光脉冲的同时，触发压电传感器开始工作，所用ＰＣＢ２０１Ｂ０３压电式力传感器的固有频率为９０ｋＨｚ，测试范围为０．０４５～２２２４Ｎ。表１详细给出了实验中所Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｆｏｒｆｏｒｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ用激光的参数。图１推力测试实验装置表１实验中所用激光的参数犜犪犫犾犲１犘犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳犾犪狊犲狉狌狊犲犱犻狀犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狊ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／μｍｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎ／μ

5、ｓｅｎｅｒｇｙ／Ｊｓｐｏｔｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅ／Ｈｚ１０．６１０ａｂｏｕｔ２５６≤２５［１０］实验中所用的锥形喷管是利用能量相似因子优化设计的，锥形喷管没有自聚焦功能，实验中选用焦距为２００ｍｍ的砷化镓（ＧａＡｓ）透镜将光束聚焦到喷管内部。图２给出了实验中的喷管实物照片，工质注入系统的喷注器位于喷管和传感器之间，传感器和喷注器之间用一块厚度为３ｍｍ的铝板连接，传感器位于铝板下面，照片中看不到。收稿日期：２０１０１２０４；修订日期：２０１１０３２２基金项目：国家９７３项目；空间碎片专项科研项目（Ｋ０１０３１１０）作者简介：李修乾（１９７７—），男，博士

6、后，副教授，从事激光应用技术、先进推进技术研究；ｘｉｕｑｉａｎｌｉ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ。１７３２强激光与粒子束第２３卷１．２纹影测试实验装置纹影测试实验装置如图３所示。实验中所用高速相机（ＨＳＦＣ）为德国研制的１２位超高速变相管相机。该相机由摄像头和４个ＰＣＩ板组成，ＰＣＩ板卡安装在计算机上，与相机之间通过光缆实现串行数据传输。时间分辨力可达ｎｓ量级，每个ＣＣＤ的分辨力为１２８０ｐｉｘｅｌ×１０２４ｐｉｘｅｌ，曝光时间从３ｎｓ到１０００ｓ连续可调，延迟时间最短可达２０ｎｓ。相机有内部触发和外部触发两种方式，根据实验需求，选择外部电触发方式，其条件为：输入５Ｖ的晶体管晶体管逻辑（ＴＴＬ

7、）电平上升沿，上升时间小于２０ｎｓ。Ｆｉｇ．２Ｐｈｏｔｏｏｆｃｏｎｉｃａｌｎｏｚｚｌｅ图２锥形喷管的实物照片纹影实验中，不透明的喷管被移除，将喷注器固定在推力测试架的平板之上，高温高压的气体流场与喷注器和平板耦合产生推力。在零时刻，触发信号由外部手动输入，工质注入系统首先被触发，其工作时间设置为１５ｍｓ；在１３ｍｓ的时刻，激光器被触发输出激光脉冲；激光辐照工质产生的等离子体流场辐射出光电信号，触发高速相机开始工作；同时压