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自上世纪七十年代以来,激光推进作为一种具有巨大潜在优势的新型技术,越来越受到世界各国的广泛关注。本文基于吸气模式激光推进,对于冲量耦合系数的测量方法、激光参量对于冲量耦合系数的影响、飞行器的高耦合系数设计以及长脉冲 TE CO2激光推进等相关性能进行了一系列研究。
首先,在LSDW近似模型的基础上,针对TEA CO2激光脉冲的典型波形,进行了波阵面半径和速度的计算。计算结果表明,由于波阵面速度随着激光功率的减小而迅速降低,LSDW波阵面的膨胀速度在激光功率开始减小时变缓。
其次,针对冲量耦合系数的三种测量方法:冲击摆测量法、水平导轨测量法以及垂直转台测量法,分别进行了测量实验,并进行了不同测量方法之间、相同测量方法不同观测手段之间的实验结果比较和误差分析。研究结果表明,各测量方法、各观测手段之间的测量数据一致性较好,实验结果可以认为基本吻合。另外在此基础上,还研究了激光脉冲能量和脉冲重复频率对于冲量耦合系数的影响。研究结果表明,冲量耦合系数随脉冲能量的增加而增加,并在能量到达某个值后呈现饱和状态,该能量值对于缩比模型实验结论的放大应用至关重要,在本论文实验条件下,该能量值为17.5J;冲量耦合系数在脉冲重复频率低于50Hz时变化不大,而在脉冲重复频率高于50Hz时随着重复频率的提高而逐渐减小。
再次,采用了一种加强喷管,可以将抛物面型飞行器的冲量耦合系数提高84.6%,并基于冲击摆测量法研究了该飞行器在改变加强喷管结构参数时的冲量耦合系数变化规律。研究结果表明,喷管的长度有一个最佳值,当喷管为最佳长度时冲量耦合系数的加强效果最好,对于开口直径相同的飞行器,焦距越大其加强喷管最佳长度越长;对于不同张角的加强喷管,冲量耦合系数会随着张角的增大而逐渐减小,即收缩喷管的推进效果比直喷管和扩张喷管要好;对于开口直径相同、焦距不同的抛物面型飞行器,焦距较大、开口较浅的飞行器更容易受加强喷管收缩程度的影响。
最后,在抛物面型飞行器上安装了点火针,将空气点火阈值从107 W/cm2降低至106 W/cm2,成功地解决了长脉冲 TE CO2激光不能有效点火的问题,并在此基础上进行了长脉冲 TE CO2激光水平导轨推进实验,研究了三种典型脉宽(20μs、32μs和40μs)条件下的冲量耦合系数规律。研究结果表明,冲量耦合系数随脉冲能量增加而增加的趋势和幅度与TEA CO2激光推进类似,另外冲量耦合系数会随着激光脉宽的缩短而增加且这种增加趋势呈现非线性,更多的参数特性还有待于进一步研究。