激光驱动飞片动能利用效率分析

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1、激光驱动飞片动能利用效率分析.赵翔•苏伟李东杰高杨（中国工程物理研究呢电子工程研究所四川绵阳621900）«＞努力炎高飞片动能利用效率对于减小激光起41系统装置体枳、It.实现系统小型化具有直接現实意义.本文根据激光诱导爆轰波（LSDW）理论，分析激光与飞片作用产生甥轰波压力的时间和空间分布情况，结合冲盘定理，推导出了激光驱动飞片动能利用效率的数学解析表达式.最后，以铝飞片为例.載点分析了激光參数（功率密度、脉宽、焦斑直径）和飞片结构参数（庠度、直径〉对飞片动能利用效率的影响.计算结果表明，飞片动能利用效率与激光的脉宽和飞片直径成正比关系.而与聚焦光斑、功率密度以

2、及飞片的厚度成反比关系.关键词激光动能小型化1引言激光驱动飞片技术是上世纪70年代由美国SANDIA实验室首先开发并使用的一项新技术.由于其在激光起爆、动高压加载、材料超应变以及模拟太空粒子运动规律方面有广泛应用，因此一经问世就受到国内外专家学者的高度重视。他们在理论和实验研究方面开展了大量工作，取得了很多有价值的成果冋.飞片动能利用效率是影响激光起爆系统装置小型化的重要因素之一.而其本身的影响因素又很多.国内外丰者一般釆用Gurney模型推导其计算式，由于其中采用的经验参数较多，不能很好地反映激光参数诂飞片结构对效率的影响，存在一定的局限性⑴.本文欲通过分析作用

3、在飞片上爆轰波压力的时空分布，结合冲量定理和动量与动能的转换关系解析得到了飞片动能耦合效率的数学表达式，并以铝材为例进行了理论计算，并对计算结果进行了分析和讨论，得到一些基本结论.2计算模型在激光脉冲作用期间，激光诱导爆轰波的压强维持不变，可近似视为一维处理.激光脉冲结束后,LSDW在横向和纵向都发生衰减，应视为二维流场分析计算⑷・为了简化计算，假定激光是“平顶”分布，即：作用于飞片上任何一点的功率密度相同.图1为LSDW-维结构.假设激光脉宽为tp.定义LSDW二维运动的特征时间切，它等于LSDW波前扩张到光斑直径距离时所需要的时间，即t24=（1）ivL%式（

4、1）中D,是激光束的光斑直径，力表示LSDW的传播速度.其计算公式为：•基金項目：国防十一五预研重点项目资助课題（51305070402）•作者简介：赵翔（1974）,男，工穆师，在读博士，主要从事高能激光应用、激光引信技术的研究工作.阿屮仇+1）⑸VPo式（2）中人为激光功率密度（GW/CMb,Po为飞片表面气体的密度，九为气体的绝热指数，一般取1.2。定义冲击波压力衰减到等于外界气压时所对应的时刻为S，飞片半径为禺，激光束的光斑半径为©,人为激光的功率密度，P。为外界气压.由于tp5这两种情况下，飞片表面所受爆轰波压强的变化规律不同，因此，需分别讨

5、论：激光光束（1）当tpW=PoJ1_（2a±1）^；当0<『<5时，LSDW呈平面衰减，即：“LSDW呈圆柱面衰减，即：疗⑴二门丄L利'严常因此，激光作用在飞片上的总冲就为:%+10=b（r）力龙（务）+行几（/）2皿圧0°如0h不考虑激光烧蚀材料的影响2叫并代入相关数据，由冲量定理得飞片的总动量为:IAr«=2.07x1O'x/畀x/xzrx-21x（107.1x晋xxD；ln-2）4Pq+0.561x10,x以x叮xD；z,xx［（牛严■寸+2.899x/?；x^xl0*x时x叩xxPo其

6、中：p产2.638x1012xIfx堵x巧2”x（空严.由E,二血f得到激光传递到飞片的动能，即:J2m2112）1/6xp-i/3_2Pq1炸倚J+2.899x/?；x希x10,xIfx?,3xD,3x（21±1）Pog我恥Z宀（畚其中：卩2=1・184X10"X片"X["X+1）]2/3因此，飞片动能利用效率:_（判/6}2P1.史y/6%D-V3_2Po'严X［（誉）7;卜切时，LSDW呈强球面3]}2+0.561X106xI严x炉xDjx（-^_九+1+2.899x耳x龙xIO*x叮xD严x（如±1）"Po（2）当tp>tu时当g&d时，LSDW压力不变

7、，即：E"）=PoI?込t衰减，即：pg（t）=p0—^严如）必。推导过程同上，因此可得激光传递给飞片的动能%+1tE=莎;丽X{4.483xio5x曙x叮xDjx+3.202xl05x呼xxD；/3xx[（眷严-1]+8.966x106x岸x/fFJxR"x（+j）“x[（£y“_（眷）"Z?=7・286xlO・xA"因此，飞片动能利用效率^忙牛二響严xf/xQjx（卫-）"+3.202%10^石"3/乙才・（旦严x［（刍严-1］刃毎卩&+17、+'$+8.966x10°x屛xI严x叮xD；V6xx［（#）火-（脊）Pl=1.236x（fxli；23计算结果及

8、讨论3.1