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空气呼吸模式激光推进机理研究

翟冰洁  
【摘要】: 激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的作用力推动飞行器前进的新概念推进技术。该技术在微小卫星近地轨道发射、在轨机动、轻型无人机等航空航天领域有重要应用前景。根据有无消耗卫星自身携带的推进剂,激光推进可分为空气呼吸模式和烧蚀模式。本文对激光推进进行了初步的理论和实验研究。 首先对激光推进做了理论推导和计算,提出了采用两种模式结合的方法来实现有限激光功率条件下微小卫星的近地轨道发射。计算可得到如下发射方案:利用100kW激光器,首先采用空气呼吸模式下,将质量为5kg飞行器在133.1s内发射至39.7km的高空,在最高点处启用烧蚀模式在200s内把飞行器提升49.482km,从而实现了把飞行器从地面发射到近太空。 其次,利用实验室自行研制的脉冲紫外预电离TEA CO_2激光器进行了空气呼气模式下的推进实验,对激光参数和光船的构型对推进效果的影响进行了初步研究,得到了一些有价值的结果。 在金属线导引抛物面光船垂直推进实验中,得到了390 N/MW的冲量耦合系数,这一结果远远高于目前世界上用电子束维持放电CO_2激光器获得的空气呼吸模式冲量耦合系数。这是由于光船的构型和作用的激光脉冲波形不同带来的。 对激光与抛物面光船相互作用时产生的空气扰动情况进行了实验研究。研究发现:抛物面光船的焦距会对光船外部空气扰动造成影响。长焦距光船时的空气扰动为双冲击波结构,短焦距光船的空气扰动则仅为单冲击波结构。此外还发现空气扰动在激光脉冲结束很长时间后还存在。 使用单色仪观察了等离子体线状光谱随时间演化过程。发现使用单色仪观察到的离子谱的衰减速率比光电二极管探测到的等离子体发光快得多,说明把光电二极管探测到发光时间作为等离子体持续时间并不合适。同时,还发现等离子发光持续时间比激光脉冲持续时间要长,离子谱线随时间演化过程与激光脉冲波形密切相关。


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