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激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的反作用力,进而推动飞行器前进的新概念推进技术。本论文就激光推进中的几个问题作了一系列的实验研究,得到了一些有益的结果。
第一章简要回顾了激光推进的发展历程,介绍了激光推进的一些基本概念。激光推进按工作模式可以分为大气呼吸模式和火箭模式。大气呼吸模式是将由进气道吸入的空气作为工质,激光击穿空气,产生激光支持的等离子体爆轰波,从而推动光船前进的推进模式;火箭模式是指激光加热光船自身携带的工质(气体,液体和固体),使其产生高温高压等离子体,经喷管喷出产生推力的推进模式。两种模式都是通过激光与工质的相互作用,将激光能量转化为等离子体热能,最终转化为光船的动能。激光推进实现了质能分离以及能源和飞船相分离,是一种新概念的推进。表征激光推进的最主要两个参数是冲量耦合系数和比冲,它们分别描述激光能量转化为动量以及工质转化为冲量的效率。
第二章研究了铝制旋转抛物面型推力器上的温度分布。采用脉冲TEA-CO2激光器作为推进光源,用响应较快的K型热电偶作为温度传感器,分别在大气呼吸和烧蚀两种工作模式下,测量了抛物面上不同点的温度-时间响应,研究了脉冲个数和环境气压对抛物面温度的影响。文中对冲量耦合系数和气压的关系也作了研究,并将其与温度联系起来。结果发现,温度在旋转抛物面的顶点处为最高,随离顶点距离的增大而减小。在大气呼吸和烧蚀两种模式下,抛物面温度随着激光脉冲个数增加,但增加的比率逐渐减小,有饱和的趋势。在激光脉冲个数确定的条件下,大气呼吸模式的温度随气压的减小先增大后减小,出现一个峰值;烧蚀模式则随气压的减小而增大。在大气呼吸模式下,冲量耦合系数随着气压的减小先略为增大而后迅速减小,在约0.5atm处出现了一个弱峰;在烧蚀模式下,冲量耦合系数随气压减小迅速升高,在气压低于0.5atm后,几乎为定值。
第三章研究用干涉法测量激光微推进中的微小推力的方法。在轨卫星根据姿态控制、轨道控制和变轨等不同任务,为保证调控精度,所需的最小点火冲量只有10-9-10-3Ns,这样的激光推进称为微推进。由于推力非常小,测量起来比较困难。采用光干涉法测量微推进可以实现无接触无损伤测量。文中改进了干涉法的数据处理方法,在光路中加入偏振光元件,产生两路正交的信号,这样可以方便的求出靶板在微推力下的位移-时间曲线,微分后就求得了加速度,进而可以求出推力。
第四章首先介绍了任意反射面激光速度干涉仪(VISAR)的发展历程和基本原理。VISAR是利用光的干涉来测量在冲击力下物体的运动速度。在冲击力下物体的运动可达102m/s以上,而过程却很短(微秒量级)。此时用光测法比其他测量方法更精确,时间响应速度更快。由于VISAR的光路满足模拟零程差条件,对光源的空间相干性要求降低。这样,即使被测物体表面是漫反射面仍然能进行测量。本文由简入繁,依次对位移干涉仪、速度干涉仪和VISAR进行了实验研究。研制的位移干涉仪能给出很好的正交干涉条纹,对简谐振动的测量给出了很好的结果,而速度干涉仪和VISAR的测试结果尚待改进。