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激光参量对激光推进中冲量耦合系数的影响

郑义军  
【摘要】:激光推进作为一种新型的推进技术,在微小卫星发射、空间碎片清除、卫星轨道调整等方面有着广泛的应用前景。自1972年由Kantrowitz提出这一概念以来,受到世界各国的广泛关注。本文围绕大气呼吸模式脉冲激光推进,采用TEACO_2激光器,从实验的角度研究了激光参数对冲量耦合系数的影响。 针对激光推进所采用的抛物面型飞行器,通过数值计算,对抛物面型飞行器聚焦状态进行了分析。模拟了平顶光束、高斯光束在焦平面处激光束的能流分布三维特征图像,从而确定空气光学击穿的点火区形状和大小;并模拟了入射激光的光轴与飞行器主轴偏离时,反射光束的聚焦三维特征。 针对大气呼吸模式激光推进,利用可调谐TEA CO_2激光器,选取CO_2激光光谱中00~01-10~00带和00~01~02~00带中增益较强的四支谱线10P(20)、10R(12)、9P(28)及9R(14)进行了空气击穿阈值和冲量耦合系数的实验研究。实验结果表明,在大气呼吸模式激光推进中,空气的击穿阈值随激光波长的增大而降低,激光波长对激光推进的冲量耦合系数没有明显的影响。 采用最大输出脉冲能量为100J量级的TEA CO_2激光器,实验研究了从13J到80J范围内的激光脉冲能量对大气呼吸模式激光推进冲量耦合系数的影响。结果表明当脉冲能量在80J到24J间变化时,冲量耦合系数没有明显变化,当脉冲能量下降至22J以下时,冲量耦合系数下降52%。文章从理论上对这一特性进行了初步的分析,并通过改变实验环境气体压强进行了验证。 通过改变激光混合气体比例及压强,控制激光器脉冲输出波形,将激光的脉冲宽度压缩近50%。在此基础上的实验和数值计算的结果表明:对于大气呼吸模式TEA CO_2激光推进而言,在不影响工质击穿的情况下,减小脉冲前段起击穿工质作用的尖峰部分占整个脉冲能量的比例,将有利于获得高的冲量耦合系数,脉冲宽度大于二维运动的特征时间时,获得的冲量耦合系数也将高于脉冲宽度偏小时所获得的冲量耦合系数。 设计了触发间隔从100ms到5ms可调的双脉冲触发器,驱动TEA CO_2激光器高压开关,模拟激光器不同的输出脉冲重复频率。采用该装置在精确控制的不同激光脉冲重复频率下,对抛物面型飞行器模型进行大气模式激光推进的实验研


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