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单脉冲能量对激光推进冲量耦合系数的影响

2012-11-05 10:14
络遇
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  利用透镜聚焦,抛物面喷管约束,结合复摆和光指针测量系统研究了单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响,实验中通过调节激光器工作电压和硅片衰减实现了脉冲能量5~70 J范围的有效拓展;进一步采用纳秒分幅高速相机拍摄了24 J能量下的流场纹影照片。结果表明:在4~9 J低能量和32~70 J较高能量区间,冲量耦合系数均较稳定;9~32 J能量下冲量耦合系数呈线性增长趋势,变化范围(6.5~21.0)×10-5N·s·J-1;纹影照片显示流场演化经历了激光支持爆轰波、爆燃波和激波3个阶段,耦合系数的变化规律源于不同单脉冲能量对应不同的能量沉积效率。

  吸气式激光推进中,单脉冲能量对冲量耦合系数的影响一直是被普遍关注的问题,对于探索提高激光推进能量转化效率的途径和实现飞行任务中的推力控制有实际指导意义。受激光器水平限制,各国实验采用的能量范围差异较大,变化规律亦不同。Y.S.Chen等人在实验和数值模拟中发现,当激光脉冲能量超过200J后,冲量耦合系数基本保持不变;国内研究范围低于100 J,在13~80 J脉冲能量对冲量耦合系数影响的实验规律解释中,认为存在爆轰波(LSDW)饱和区、爆轰波增益区和爆燃波(LSCW)饱和区,其中能量的调节是通过改造激光器和串联电源模块实现的。目前没有关于相同实验条件和较宽范围内单脉冲能量影响的研究报道,激光脉冲波形、聚焦方式、约束构形选择以及测量方法的精度,都会直接影响实验结果。本文在不进行激光器硬件改造的情况下,利用抛光硅片衰减将激光器能量范围由50~70 J拓展至5~70 J。在复摆法的基础上,结合光指针方法,实现不同大小最大摆角的高精度测量,研究不同脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响。

  1 测量系统结构设计

  1.1 激光器

  实验中采用的高功率脉冲CO2激光器由华中科技大学研制,工作电压为32~40 kV,波长为10.6μm,重复频率为25 Hz,不同电压下稳定输出单脉冲能量为50~70 J,近场光斑呈矩形均匀分布,尺寸53 mm×48mm,原始光斑如图1所示。

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