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1、第18卷第3期强激光与粒子束Vol.18,No.32006年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2006文章编号:1001-4322(2006)03-0353-04水滴烧蚀激光推进性能测试*李修乾1,2,洪延姬2,王军2,陈景鹏2,何国强1(1.西北工业大学航天学院,西安710072;2.装备指挥技术学院,北京101416)摘要:以脉冲式TEACO2激光器为光源将雾化水滴用作推进剂进行了激光推进实验研究。由力传感器测量得出的推力随时间的变化关系曲线得出了冲量耦合系数的大小。实验发现水工质激光推进冲量耦合系数的大小与雾
2、化水滴的尺寸、速度等性能参数及其分布密切相关,水滴尺寸和速度越小,速度分布范围越集中,冲量耦合系数越大。关键词:激光推进;水滴;冲量耦合系数;雾化中图分类号:O439;TN249文献标识码:A激光推进技术以其自身的诸多优点引起了国内外研究人员的高度重视,研究人员在大气吸气模式激光推[1-2]进领域已经做了大量卓有成效的研究工作。随着研究工作的逐步深入,以液体和固体为推进剂进行的激光推进研究工作也逐步展开。液体推进剂以其自身固有的特点吸引了越来越多研究人员的注意,国外特别是日[3-5]本的研究人员用水工质进行的激光推进实验研究结果十分鼓舞人心。[6-9]虽
3、然国内在激光推进领域也已经做了大量有意义的研究工作,但是,以液体工质为推进剂进行的激光[3-5,10]推进研究工作目前还未见报道。而且从目前国外报道的研究结果来看,国外在这一领域的研究还仅仅局限于将简单的水击穿效应应用于激光推进,没有对液体推进剂所必须的工质注入系统进行研究。本文利用实验室专门研制的工质注入系统,以医用蒸馏水为推进剂,用脉冲式TEACO激光进行了抛物形喷管单脉冲激2光推进实验。1实验装置实验装置如图1所示,TEACO2激光器输出的单脉冲宽度为1µs左右,最大能量为100J,激光光斑直径为Ф50mm。实验所用铝质抛物形喷管的口径为Ф70mm
4、,在喷管的顶部开有一个Ф12mm的圆孔,工质注入系统通过该圆孔将雾化后的液滴实时喷注到激光聚焦区域。通过一种特殊方式将抛物形喷管和工质注入系统紧密连接起来。力传感器测量得到的推力随时间的变化关系曲线可以通过示波器实时显示。为了保证实验数据的可信度,实验过程中专门利用冲量测量精度很高的冲击摆测试系统,对由力传感器间接测量得出的冲量进行了标定。实验过程中利用了抛物形喷管自身的聚焦性能。如图1所示,沿喷管轴线方向入射的激光脉冲在光滑壁面的聚焦作用下将焦点(聚焦光斑尺寸较大为mm2量级)附近的雾化液滴(雾化液滴的索太尔直径D为10-532mFig.1Schema
5、ticofexperimentsetup图1实验装置示意图*收稿日期:2005-10-24;修订日期:2006-01-20基金项目:国家安全重大基础项目资助课题作者简介:李修乾(1977-),男,讲师,博士研究生,从事激光推进技术研究;xiuqianli@sohu.com。354强激光与粒子束第18卷量级)击穿形成等离子体,等离子体继续吸收激光能量形成迅速膨胀的爆轰波,爆轰波沿着与入射光束相反的方向喷出喷管,从而形成推力。2实验结果实验中,激光脉冲能量为60J,选用最安全的医用蒸馏水进行了实验。每组实验都进行了3～5次,实验数据重复性良好。实验过程中重点
6、研究了激光聚焦区域内雾化液滴平均尺寸(索太尔平均直径D)和液滴平均32运动速度不同时,冲量耦合系数的变化情况。实验测试结果的平均值如图2和图3所示。Fig.2CouplingcoefficientvsdropletdiameterFig.3Couplingcoefficientvsdropletvelocity图2冲量耦合系数随液滴平均尺寸的变化图3冲量耦合系数随液滴平均运动速度的变化另外,在实验过程中发现,实验所用工质质量的准确测量还是一个难题,因此给比冲的测试带来了困难。这个问题在工质注入系统的性能进一步得到完善后就可以得到解决。3分析与讨论3.1实
7、验结果初步分析从图2和图3中可以明显地看出一个很有意思的变化趋势:冲量耦合系数基本上是随着雾化液滴的平均尺寸以及平均运动速度的增大而减小,但是在两幅图中都出现了一个很“不”符合“规律”的测量点。在实验测试范围内,液滴平均尺寸最小时,平均运动速度最大;液滴平均尺寸最大时,平均运动速度恰恰最小(这是由工质注入系统的设计参数所决定的,在实验中无法人为调节);两种作用因素互相影响,导致两种情况下的实验测量值差别不大,也就出现了图2和图3中很“不”符合“规律”的测量点。这说明,冲量耦合系数受液滴的平均尺寸和平均运动速度的影响是相互关联的。图4(a)和(b)对比给出
8、了雾化液滴平均运动速度分别为16.0,6.9m/s时,在激光聚集区域内的速度分布
