激光单脉冲冲量的扭摆测量方法

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1、!第!"卷!第!!期强激光与粒子束#$%&!"!’$&!!!!())*年!!月+,-+./012345124’6.427,831914:5’$;&!())*!文章编号!!!))!<=>(("())*#!!

2、一步通过积分方程的离散化方法!提出了激光单脉冲冲量的计算方法!并且进行了精度分析$为采用扭摆测量激光单脉冲冲量!提供了工程测量和计算方法$!!关键词!!激光%!冲量%!扭转角%!测量!!中图分类号!!/>(@%7A>!!!!!!文献标识码!!4!!在军事航天领域!通过各种推进技术方法产生冲量!进行航天器姿态调整和控制!其中激光推进技术方法!特别适合产生!)BCB=!!)’&D的微小冲量!可应用于微小卫星的姿态调整和控制!受到各个航天大国的关注’!<=($将半导体激光器所产生的激光!聚焦于工质靶表面!通过工

3、质物质烧蚀反喷!可产生!)BCB=!!)’&D量级的微小冲量$在微小卫星的姿态调整和控制中!重要的是激光微推力器输出的单脉冲冲量!而不是单脉冲内推力的具体变化!因为对姿态调整起作用的是激光微推力器输出的单脉冲冲量大小$激光微推力器输出的单脉冲微小冲量!一般采用扭摆系统测量!具有结构简单)设计方便和周期)频率和阻尼比等标定方便等特’C<@(点$因此!研究采用扭摆测量激光单脉冲冲量方法!具有工程实用价值$!!扭摆测量冲量原理!!如图!所示的扭摆系统!两端固定的垂直铍青铜丝中点固定刚性横梁"横梁上粘贴烧蚀工质靶

4、#!横梁中点固定反射镜!激光束垂直照射横梁!测量铍青铜丝的扭转角$!!采用高速相机!测量光斑在标尺上移动!实现对铍青铜丝的扭转角测量$!!当激光单脉冲垂直入射横梁"作用点与铍青铜丝距离为!"*(#!粘贴在横梁的工质靶入射点处材料烧蚀!烧蚀物反喷!产生冲量作用于横梁!激光单脉冲产生的作用力的作用时间为#"一般为!)KD左右#!由于烧蚀反喷方向垂直横梁!单!脉冲激光对横梁的作用力方向可认为垂直横梁!单脉冲激光产生的冲量为#!$%&"##R#"!##)式中+&"##为激光所产生的推力$!!在单脉冲激光冲量$作用

5、下!横梁随时间#进行有阻尼EFG&!!5HIJKLMFH$NM$ODF$PQJPRS%SKDTDMJK振动!当横梁及铍青铜丝扭转角为!"##时!测扭转角激光束的N$OKFHO$

6、())*<)C<>)%!!修订日期!())*项目资助课题作者简介!金!星"!?*(,#!男!教授!博士!博导!主要从事可靠性和先进推进技术研究%VFPWFPG＿XJFVFPG"DFPL&H$K$$%$#强激光与粒子束第$%卷!!扭摆有阻尼运动方程与扭转角%%&!!任意时刻!!作用力""!#所产生的力矩为#!""!#"$%$"#"#"!"!$#!扭摆的有阻尼受力运动方程为#’""$$(##!&""#&!&#&!’%$’!!!!#"!"!$"’#&!"##’#!!!"##’#式

7、中(!为单脉冲激光作用力""!#的持续作用时间)为扭摆阻尼比)(为扭摆转动惯量)#为扭摆无阻尼振动$"&’#频率)!为扭转角速度)!为扭转角加速度*!!根据振动力学知识可知!扭转角为"$%$"(#!)"#"!)$#!"!#’""$#)&*+&%#("!)$#&($!!#"!"!$",##(’#式中(#为扭摆有阻尼振动频率"#$$-"#)*$#为扭摆有阻尼振动周期)$%$"为单脉冲作用点(&!#(("(!""(与铍青铜丝之间的距离*上述扭摆系统参数!通过标定实验估计*"!激光单脉冲冲量满足的方程!!由式",

8、#可得!#()"#"!)$#!"!#’""$#)&*+&%#("!)$#&($".#"$%$"(#’#任意时刻!"#"!"!#!作用力的冲量为$!+"!#’""$#($"/#’#即(+"$#’""$#"0#($将式"0#代入式".#!并且分步积分!可得!#()"#"!)$#!"!#’)&*+&%#("!)$#&(+"$#’"$%$"(#’#!)"#"!)$#!)"#"!)$#++"$#)&*+&%#("!)$#&,,)+"$#