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水滴燒蝕多脈沖激光推進(jìn)性能
（論文部分內(nèi)容摘抄）
水工質(zhì)以其沖量耦合系數(shù)高、無污染、易儲存等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了學(xué)者們的關(guān)注。學(xué)者們分別將水泡靶、水車、水溶液、水膜等用作工質(zhì)，開展了單脈沖激光推進(jìn)性能的實驗研究工作。激光參數(shù)和噴管是影響水工質(zhì)激光推進(jìn)性能的重要因素，大部分文獻(xiàn)報道中，沒有利用噴管開展研究工作，只是利用了水的激光擊穿效應(yīng)，測試了推力或者沖量，給出了沖量耦合系數(shù)的研究結(jié)果。有關(guān)激光脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)對水工質(zhì)激光推進(jìn)性能影響的報道還比較少。本文將尺寸為40～80μm的霧化水滴用作工質(zhì)，用實時的壓電傳感器推力測試法開展了錐形噴管的多脈沖TEA CO2 激光推進(jìn)性能實驗研究，研究了脈沖重復(fù)頻率和脈沖個數(shù)對比沖和沖量耦合系數(shù)的影響。利用紋影測試法研究了水滴燒蝕過程中的激波等流場變化過程，分析了推力產(chǎn)生過程中的主要影響因素。
紋影測試實驗裝置：
紋影測試實驗裝置如圖所示。實驗中所用高速相機(jī)（廣州市元奧儀器有限公司的PCO.dicam型號）為德國研制的12位超高速變相管相機(jī)。該相機(jī)由攝像頭和４個PCI板組成，PCI板卡安裝在計算機(jī)上，與相機(jī)之間通過光纜實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。時間分辨力可達(dá)ns量級，每個CCD的分辨力為1280 pixel x 1024 pixel，曝光時間從3ns到 1000s連續(xù)可調(diào)，延遲時間短可達(dá)20ns。相機(jī)有內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)兩 種方式，根據(jù)實驗需求，選擇外部電觸發(fā)方式，其條件為：輸入5V的晶體管，晶體管邏輯（TTL）電平上升沿，上升時間小于20ns。
紋影實驗中，不透明的噴管被移除，將噴注器固定在推力測試架的平板之上，高溫高壓的氣體流場與噴注器和平板耦合產(chǎn)生推力。在零時刻，觸發(fā)信號由外部手動輸入，工質(zhì)注入系統(tǒng)首先被觸發(fā)，其工作時間設(shè)置為15ms；在13ms的時刻，激光器被觸發(fā)輸出激光脈沖；激光輻照工質(zhì)產(chǎn)生的等離子體流場輻射出光電信號，觸發(fā)高速相機(jī)開始工作；同時壓電傳感器采集系統(tǒng)被觸發(fā)，開始采集推力信號。
紋影實驗結(jié)果：
圖給出了第１個激光脈沖對應(yīng)的流場演化過程的實驗結(jié)果，在激光的傳輸路徑上，從激光擊穿工質(zhì)產(chǎn)生等離子體流場的瞬間開始，出現(xiàn)了黑域。這是由于霧化水滴對CO2 激光的強(qiáng)烈吸收作用（吸收深度為10μm量級），使得在激光脈沖輸出的瞬間便產(chǎn)生了高溫高壓的蒸汽區(qū)域，光束前方的蒸汽繼續(xù)吸收激光能量向前方迅速傳播，從而形成了光束前方的黑域；在相反方向的蒸汽區(qū)域在激波流場的推動作用下，在逆光束傳播方向上形成了黑域。雖然光束傳播路徑上的CO2 能量幾乎被全部吸收，激光束很難穿過霧化水滴繼續(xù)向前傳輸，但是由于霧化水滴之間存在大量的微小空隙，從而使得激光束能夠穿過空隙繼續(xù)向前方傳輸。
將霧化水滴用作工質(zhì)，開展了TEA CO2 激光多脈沖激光推進(jìn)實驗研究工作，同時開展了紋影實驗研究工作。水滴燒蝕模式多脈沖激光推進(jìn)的比沖和沖量耦合系數(shù)等性能參數(shù)下降比較明顯，與多脈沖推進(jìn)理論分析結(jié)果吻合較好。
流場演化過程的紋影實驗結(jié)果與同步獲得的推力曲線結(jié)果表明：在實驗所用的激光能量（功率）密度范圍內(nèi)，汽化過程和激波對推力形成的貢獻(xiàn)都比較大；等離子體流場對推力形成過程沒有貢獻(xiàn)。
德國 Excelitas PCO 公司的pco.dicam相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點(diǎn)，將可實現(xiàn)高效的單光子檢測，為實驗提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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