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1、第18卷第3期強激光與粒子束Vol.18,No.32006年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar.,2006文章編號:1001-4322(2006)03-0353-04水滴燒蝕激光推進性能測試*李修乾1,2,洪延姬2,王軍2,陳景鵬2,何國強1(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安710072;2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院,北京101416)摘要:以脈沖式TEACO2激光器為光源將霧化水滴用作推進劑進行了激光推進實驗研究。由力傳感器測量得出的推力隨時間的變化關(guān)系曲線得出了沖量耦合系數(shù)的大小。實驗發(fā)現(xiàn)水工質(zhì)激光推進沖量耦合系數(shù)的大小與霧
2、化水滴的尺寸、速度等性能參數(shù)及其分布密切相關(guān),水滴尺寸和速度越小,速度分布范圍越集中,沖量耦合系數(shù)越大。關(guān)鍵詞:激光推進;水滴;沖量耦合系數(shù);霧化中圖分類號:O439;TN249文獻標(biāo)識碼:A激光推進技術(shù)以其自身的諸多優(yōu)點引起了國內(nèi)外研究人員的高度重視,研究人員在大氣吸氣模式激光推[1-2]進領(lǐng)域已經(jīng)做了大量卓有成效的研究工作。隨著研究工作的逐步深入,以液體和固體為推進劑進行的激光推進研究工作也逐步展開。液體推進劑以其自身固有的特點吸引了越來越多研究人員的注意,國外特別是日[3-5]本的研究人員用水工質(zhì)進行的激光推進實驗研究結(jié)果十分鼓舞人心。[6-9]雖
3、然國內(nèi)在激光推進領(lǐng)域也已經(jīng)做了大量有意義的研究工作,但是,以液體工質(zhì)為推進劑進行的激光[3-5,10]推進研究工作目前還未見報道。而且從目前國外報道的研究結(jié)果來看,國外在這一領(lǐng)域的研究還僅僅局限于將簡單的水擊穿效應(yīng)應(yīng)用于激光推進,沒有對液體推進劑所必須的工質(zhì)注入系統(tǒng)進行研究。本文利用實驗室專門研制的工質(zhì)注入系統(tǒng),以醫(yī)用蒸餾水為推進劑,用脈沖式TEACO激光進行了拋物形噴管單脈沖激2光推進實驗。1實驗裝置實驗裝置如圖1所示,TEACO2激光器輸出的單脈沖寬度為1μs左右,最大能量為100J,激光光斑直徑為Ф50mm。實驗所用鋁質(zhì)拋物形噴管的口徑為Ф70mm
4、,在噴管的頂部開有一個Ф12mm的圓孔,工質(zhì)注入系統(tǒng)通過該圓孔將霧化后的液滴實時噴注到激光聚焦區(qū)域。通過一種特殊方式將拋物形噴管和工質(zhì)注入系統(tǒng)緊密連接起來。力傳感器測量得到的推力隨時間的變化關(guān)系曲線可以通過示波器實時顯示。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可信度,實驗過程中專門利用沖量測量精度很高的沖擊擺測試系統(tǒng),對由力傳感器間接測量得出的沖量進行了標(biāo)定。實驗過程中利用了拋物形噴管自身的聚焦性能。如圖1所示,沿噴管軸線方向入射的激光脈沖在光滑壁面的聚焦作用下將焦點(聚焦光斑尺寸較大為mm2量級)附近的霧化液滴(霧化液滴的索太爾直徑D為10-532mFig.1Schema
5、ticofexperimentsetup圖1實驗裝置示意圖*收稿日期:2005-10-24;修訂日期:2006-01-20基金項目:國家安全重大基礎(chǔ)項目資助課題作者簡介:李修乾(1977-),男,講師,博士研究生,從事激光推進技術(shù)研究;xiuqianli@sohu.com。354強激光與粒子束第18卷量級)擊穿形成等離子體,等離子體繼續(xù)吸收激光能量形成迅速膨脹的爆轟波,爆轟波沿著與入射光束相反的方向噴出噴管,從而形成推力。2實驗結(jié)果實驗中,激光脈沖能量為60J,選用最安全的醫(yī)用蒸餾水進行了實驗。每組實驗都進行了3～5次,實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。實驗過程中重點
6、研究了激光聚焦區(qū)域內(nèi)霧化液滴平均尺寸(索太爾平均直徑D)和液滴平均32運動速度不同時,沖量耦合系數(shù)的變化情況。實驗測試結(jié)果的平均值如圖2和圖3所示。Fig.2CouplingcoefficientvsdropletdiameterFig.3Couplingcoefficientvsdropletvelocity圖2沖量耦合系數(shù)隨液滴平均尺寸的變化圖3沖量耦合系數(shù)隨液滴平均運動速度的變化另外,在實驗過程中發(fā)現(xiàn),實驗所用工質(zhì)質(zhì)量的準(zhǔn)確測量還是一個難題,因此給比沖的測試帶來了困難。這個問題在工質(zhì)注入系統(tǒng)的性能進一步得到完善后就可以得到解決。3分析與討論3.1實
7、驗結(jié)果初步分析從圖2和圖3中可以明顯地看出一個很有意思的變化趨勢:沖量耦合系數(shù)基本上是隨著霧化液滴的平均尺寸以及平均運動速度的增大而減小,但是在兩幅圖中都出現(xiàn)了一個很“不”符合“規(guī)律”的測量點。在實驗測試范圍內(nèi),液滴平均尺寸最小時,平均運動速度最大;液滴平均尺寸最大時,平均運動速度恰恰最小(這是由工質(zhì)注入系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)所決定的,在實驗中無法人為調(diào)節(jié));兩種作用因素互相影響,導(dǎo)致兩種情況下的實驗測量值差別不大,也就出現(xiàn)了圖2和圖3中很“不”符合“規(guī)律”的測量點。這說明,沖量耦合系數(shù)受液滴的平均尺寸和平均運動速度的影響是相互關(guān)聯(lián)的。圖4(a)和(b)對比給出
8、了霧化液滴平均運動速度分別為16.0,6.9m/s時,在激光聚集區(qū)域內(nèi)的速度分布
