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1、第16卷 第7期强激光与粒子束Vol.16,No.72004年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2004文章编号:100124322(2004)0720861204X激光推进冲量耦合系数的测量方法金 星, 洪延姬, 崔村燕, 王 军, 文 明(解放军装备指挥技术学院测试发射工程教研室,北京101416) 摘 要:激光推进冲量耦合系数是激光推进的重要参数,反映激光能量转化为动能的能力。提出了水平双线支撑激光推进试验方法,推导了水平双线支撑激光推进时光船的运动方程和测量方程;通过高速相机测量位移,利用卡尔曼滤波计算速度的方法;解决了激光脉
2、冲瞬间作用时速度随机起伏大和计算困难的问题。为水平激光推进冲量耦合系数的计算,提供了工程测量和计算方法。 关键词:激光; 水平激光推进; 速度; 耦合系数; 冲量 中图分类号:O439;TN249文献标识码:A 激光推进技术是将激光的能量转化为飞行器动能的一种新型的推进技术。激光推进主要采用两种模式:空气吸气模式和火箭模式。激光推进的突出特点是比冲大、成本低、快速机动。 空气吸气模式是通过聚焦激光束击穿空气,产生等离子体,形成激光维持的爆轰波产生推力,不需要携带工质,可应用于距离地面20km以内的飞行器推进。火箭模式是激光束触发携带的工质,产生瞬态等离子体维持的爆轰波
3、(或高速射流)而产生推力,需要携带工质,可应用于距离地面20km以外的飞行器推进。 激光能量转化为推进动能的能力,采用冲量耦合系数表示,冲量耦合系数测量中通常采用复摆测量方法,该方法存在以下难点:复摆的摆动模型为非线性,并且阻尼系数标定困难,运动规律准确描述困难。激光脉冲的瞬间冲击作用力,使复摆转动部分的主惯性轴难以准确对准,产生扭转、弯曲干扰振动,抑制干扰困难。复摆在单位激光脉冲作用下的转角,一般采用角编码器测量。角编码器的转动惯量无法准确确定,以及瞬间冲击作用下,角编码器动态响应滞后。因此,本文提出水平激光推进冲量耦合系数的测量方法。1 冲量耦合系数 设激光器的单位脉
4、冲能量为E,则冲量耦合系数Cm=FΔt/E(1)式中:F为单位脉冲产生的推力;Δt为推力作用时间;FΔt为单位激光脉冲产生的冲量。 激光推进实验中,采用的模拟飞行装置称为光船。设光船的质量为m,单位激光脉冲产生的冲量FΔt作用下,光船获得的速度为v0,则冲量耦合系数Cm=FΔt/E=mv0/E(2)作用时间Δt在μs量级(≤1μs),可以认为光船在瞬间获得速度v0,目前国内实验室采用的脉冲激光器单位脉冲能量一般小于30J。 冲量耦合系数越大,说明光船将激光能量转化为动能的能力越强,因此,激光冲量耦合系数的实验测量技[1～4]术,是光船结构优化设计,以及研究激光推进的关键技
5、术之一。2 水平双线支撑激光推进试验 将光船放置在水平面内平行的双线金属细丝上,光船的支撑部分与金属细丝形成点接触,通过润滑使点接触摩擦力很小,脉冲激光束水平方向作用于光船的旋转抛物形内表面,聚焦激光束,简称为水平双线支撑激光推进试验,如图1所示。 采用高速相机测量tk时刻的水平位移sk(k=0,1,2,⋯,n),采样点数目为n+1个,采样周期为T=tk+1-tk。水平双线支撑激光推进试验,根据基本量测量位移和时间,需要确定单位激光脉冲作用下,光船瞬间获得的速度v0,利用式(2)计算冲量耦合系数Cm。X收稿日期:2003212208;修订日期:2004202223基金项目
6、:国家863计划项目资助课题作者简介:金 星(1962—),男,教授,博士,从事可靠性、安全性、先进推进技术研究;北京3380信箱86号;E2mail:jinxing-beijing@sina.com.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.862强激光与粒子束 第16卷 由位移和时间计算速度v和加速度a,通常采用切割线方法,公式为sk+1-skvk+1-vkvk=,ak=(3)tk+1-tktk+1-tk 采用切割线方法计算速度和加速度的主要缺点在于:观测
7、量为位移和时间,速度曲线波动大,不易准确估计速度,如图2所示为直接采用切割线方法计算的速度;需要计算的是脉冲作用下瞬间的速度,切割线方法只利用测量起始时间的若干个位移和时间测试点,造成较大估计误差;无法合理利用脉冲作用后一直到停止运动之间的位移和时间的测量信息。如果进一步采用曲线拟合方法,拟合曲线的阶次和两端边界条件未知,因此脉冲作用下瞬间的速度v0计算误差较大。 为了克服切割线方法计算速度的缺点,研究了基于卡尔曼滤波理论的计算方法。3 水平双线支撑激光推进时光船的运动方程 水平双线支撑激光推进时光
