固態(tài)工質激光推進的機理研究.pdf

1、激光推進是利用高功率激光與物質相互作用產生的高溫高壓等離子體反噴產生推力驅動飛行器前進的一種新概念推進技術。固態(tài)工質由于其易加工，可操作性強，成為燒蝕模式的首選工質形態(tài)。本文就固態(tài)工質的燒蝕模式激光推進進行探討，采用數(shù)值模擬和實驗等手段，深入研究該推進模式的物理機制和推進力學效應，得到了一些有意義的結果。 建立了激光輻照下固態(tài)靶蒸汽等離子體形成的動態(tài)燒蝕耗能模型和光線跟蹤激光能量等離子體吸收模型。結合等離子體理想狀態(tài)方程，采用W

2、ENO空間差分格式和Runge-Kutta時間離散格式編寫了二維軸對稱流體力學程序LDAP-2D，該程序能夠完整地計算激光作用下固態(tài)單原子靶的動態(tài)燒蝕、蒸汽等離子體噴射以及流場演化的整個過程。大大提高了流場和推進性能的計算精度。 跟蹤脈沖激光能量在等離子體流場中的吸收過程，發(fā)現(xiàn)微秒量級脈寬時間內激光被吸收的過程與流場膨脹發(fā)展相耦合，使得激光吸收過程出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。追蹤脈寬時間內激光能量的轉化規(guī)律，以及激光熄滅后流場膨脹過程中流場內

3、能和動能轉化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，短波長利于將激光能量向流場動能轉化并維持流場中較高的動能轉化率，提高激光推進的能量利用率。 固定入射激光功率，研究脈沖能量、功率密度等對推進效應的影響。激光脈沖能量增大，工質靶獲得的沖量增大；同一功率密度下，脈沖能量增大，沖量耦合系數(shù)減??；比沖隨脈沖能量的增大而增大。同一脈沖能量下，沖量耦合系數(shù)隨功率密度的增大呈指數(shù)衰減；比沖隨功率密度的變化不大。 針對應用于激光推進的激光器的波長——1.06μm

4、、1.315μm、3.8μm以及10.6μm進行研究，沖量耦合系數(shù)隨波長的增大而變小，比沖隨波長增大而變大。考慮綜合推進效應，波長適中(1.315μm和3.8μm)的激光比較理想。 對鋁、碳、鐵和銅四種工質靶材進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)原子量適中的工質材料綜合推進效應較好，追蹤其能量轉化過程發(fā)現(xiàn)，短脈沖時，逃逸速度大不利于提高動能轉化率和激光推進的能量利用率。同一功率密度較長脈寬下，流場動能和內能出現(xiàn)振蕩，動能轉化率可以多次達到最大，但

5、是對推進效應貢獻不大。幾十到幾百納秒量級的脈寬對材料的綜合推進效應較好。 對激光輻照固態(tài)工質材料產生的等離子體進行光譜診斷。記錄了六種材料(鋁、銅、鋼、石墨、PVC和POM)的發(fā)射光譜，研究了它們隨脈沖能量的變化規(guī)律。在局部熱平衡假定下，由鋁和銅特征譜線的相對強度得到了二者的電子溫度，范圍為(7.9-25)×10<'3>K；由譜線展寬得到鋁等離子體的電子密度在(4-9)×10<'17>cm<'-3>范圍內。還利用相機B門拍攝到真