1 哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨飞机工业集团有限责任公司工程技术部，黑龙江 哈尔滨 150066
针对水下光纤激光推进中存在的冲量耦合系数小、效果发散的问题，提出了用于提升水下光纤激光推进性能的短微腔结构。文中利用Fluent对添加微腔后水下光纤激光推进的结果进行了数值模拟，分析了矩形微腔结构的直径和长度对推进的影响，并在矩形微腔基础上提出U形微腔、双管微腔及含有阻塞结构的微腔。通过仿真得到了不同微腔对推力和冲量耦合系数的增大效果，证明了添加微腔可使水下光纤激光推进的冲量耦合系数得到103数量级的增大，并通过对比得出4种微腔结构中，双管微腔的结构形态对激光推进的性能提升影响最大，提升效果最好。
激光光学 水下激光推进 微腔结构 性能优化 冲量耦合系数
航天工程大学宇航科学与技术系, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
为研究脉冲激光斜入射烧蚀铝靶冲量耦合机理, 直接测量其宏观冲量耦合特性是其中一种手段, 但激光烧蚀包含多种物理过程, 仅仅研究其宏观力学性能难以深入分析冲量形成机理, 脉冲激光烧蚀形成的等离子体羽流喷射是诱发力学效应的重要过程, 因此, 在研究宏观力学性能的基础上, 通过开展脉冲激光斜入射烧蚀铝靶等离子体羽流及发射光谱特性测量研究, 深入分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理。 围绕单脉冲1064nm激光斜入射烧蚀铝靶开展研究, 首先通过构建高速摄影测量系统和发射光谱测量系统, 获得了典型激光能量密度斜入射烧蚀铝靶产生的等离子体羽流图像、 等离子体光谱图像和等离子体发射光谱, 基于等离子体发射光谱, 利用Boltzmann作图法和Stark展宽法, 分别研究了脉冲激光多种斜入射角度下等离子体温度、 电子数密度随能量密度的变化关系; 通过搭建扭摆微冲量测量系统, 研究了脉冲激光多种斜入射角度下, 沿着激光入射方向的冲量耦合系数随能量密度的变化。 研究中遵循从羽流微尺度演化过程到冲量宏观力学性能测量分析的研究思路。 实验结果表明, 随着能量密度的增加, 等离子体羽流发光强度增强, 羽流离化程度增加, 等离子体温度、 电子数密度均先迅速增加, 冲量耦合系数也迅速增加; 当能量密度大于15 J·cm-2时, 由于等离子体屏蔽效应, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐趋于饱和, 最终导致冲量耦合系数随着能量密度的增加而减小; 此外, 随着入射角度的增加, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐减小, 导致冲量耦合系数也随之减小。 研究结果表明, 利用高速摄影和发射光谱可较好地分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理, 研究结果可为激光空间碎片清除、 空间微推力器、 空间非合作目标消旋等空间应用的关键参数优化提供参考。
激光烧蚀 斜入射 等离子体羽流 高速摄影 发射光谱 等离子体屏蔽 冲量耦合 Laser ablation Oblique incidence Plasma plume Fast photography Optical emission spectroscopy Plasma shielding Impulse coupling
红外与激光工程
2022, 51(6): 20210422
航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能，对常见的七种金属材料：Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au，使用波长1 064 nm，脉宽8 ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀，测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数，获得了激光功率密度对推进性能的影响规律。实验结果表明：相同激光功率密度下，Fe的烧蚀质量最大，Y的烧蚀质量最小；Al,Au,Cu的冲量较大，Ag的冲量最小；Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大，分别在激光功率密度为
$1.72 \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$![]()
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和
${{2}}{{.98}} \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$![]()
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时达到40.7 μN/W和500 s的最大值，平均能量转化效率可达6%。
红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210277
红外与激光工程
2021, 50(8): 20200390
陆军工程大学 军械士官学校光电技术研究所, 湖北 武汉 430075
激光主动清除空间碎片已经成为国际上的研究热点。碎片靶材在高能脉冲激光作用下的冲量耦合效应研究是实现碎片清除的基础和关键。基于单摆法模型的高速摄影测量法分别研究了ns和ms两种不同脉宽制式激光对铝合金小球的冲量耦合系数的变化规律, 并从机理上分析了两种制式激光产生冲量耦合系数特性的不同。重点指出ms激光能够产生的单位面积冲量远大于ns激光, 可用于清扫空间碎片。提出采用ns与ms的复合激光能够有效提高激光的能量利用率, 从而获得更大的冲量耦合系数。为激光清扫空间碎片的研究提供了一条新的思路, 具有很强的指导意义。
空间碎片 冲量耦合 不同脉宽制式 复合 space debris impulse coupling different mode complex 红外与激光工程
2019, 48(8): 0805004
航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
开展了脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究, 即激光烧蚀光斑尺寸略小于碎片尺寸下的冲量耦合特性, 对比实验研究了平面状碎片在激光大光斑辐照和小光斑辐照下的冲量耦合特性, 以及大光斑辐照下光斑尺寸和形状因素对冲量耦合特性的影响规律, 并结合实验研究结论验证了理论研究的合理性。研究结果表明: 相同激光功率密度下小光斑辐照比大光斑辐照的冲量耦合系数高; 大光斑辐照下冲量耦合系数主要受激光功率密度影响, 光斑尺寸对冲量耦合系数的影响较小; 采用大光斑辐照下冲量耦合系数的理论计算结果更接近于实验结果。上述实验研究成果对激光辐照不规则空间碎片理论研究具有一定的实验指导意义。
空间碎片 大光斑辐照 冲量耦合特性 脉冲激光 space debris big spot irradiation impulse coupling characteristic pulsed laser 红外与激光工程
2018, 47(12): 1243001
航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
水平扭摆冲量测量装置是研究激光与工质烧蚀冲量耦合的有效手段。针对测量过程易受干扰的特点, 基于冲量瞬间作用模型, 通过系统参数标定误差和冲量误差与噪信比关系, 采用蒙特卡洛数值仿真方法, 提出了测量噪声影响系统参数标定和冲量测量误差的分析方法。所提出的方法可应用于分析测量噪声对系统参数标定误差、冲量测量误差的影响规律研究, 为微小冲量测量误差和结构设计提供依据。
冲量 测量系统 误差分析 系统参数标定 impulse measuring system error analysis system parameter calibration 红外与激光工程
2018, 47(11): 1102002
航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
冲量耦合特性研究是分析激光清除空间碎片方案的基础。因大气传输效应和衍射极限等因素的影响,激光辐照到空间碎片上的光斑尺寸与厘米级碎片尺寸通常在一个量级,且空间碎片大多由爆炸解体和碰撞等原因产生,为非平面状,因此研究激光大光斑辐照非平面状碎片的冲量耦合特性是激光清除空间碎片的关键。以典型非平面状空间碎片(球体、正方体)为例,以碎片表面任一面积微元上的烧蚀反喷方向为微元表面垂直方向、任一面积微元上的冲量耦合系数与点辐照下的相同为前提,以积分角度推导了面积矩阵法。基于该方法研究得到了在大光斑辐照下,当激光能量密度或入射激光能量一定时,光斑尺寸和激光入射角度对冲量大小和方向的影响规律。该研究成果进一步丰富了激光清除空间碎片的理论,为激光清除空间碎片的方案设计提供了一定的理论指导。
激光光学 空间碎片 冲量耦合特性 大光斑 非平面状 激光与光电子学进展
2018, 55(3): 031401
空军工程大学 信息与导航学院, 陕西 西安 710077
通过建立空间碎片自旋与非自旋模型, 分析了天基激光作用下碎片速度的变化规律, 在此基础上研究了激光辐照作用下空间碎片的变轨模型。通过仿真分析空间碎片的近地点与远地点高度的变化量在碎片运行轨道不同位置与高能脉冲激光作用的变化规律, 对比分析激光在不同辐照角度下与碎片作用时的降轨清理效果。研究结果表明: 天基激光清除空间碎片存在最佳作用区域, 降轨清理的最佳位置在初始真近角f=120°和f=240°位置附近; 激光作用碎片的辐照角度对碎片的降轨清理效果有较大影响, 激光在不同辐照角度与碎片作用时的降轨清理效果相对碎片轨道椭圆主轴具有对称性。
空间碎片 天基激光 降轨 冲量耦合 space debris space-based laser de-orbit impulse coupling
