1 哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨飞机工业集团有限责任公司工程技术部，黑龙江 哈尔滨 150066
针对水下光纤激光推进中存在的冲量耦合系数小、效果发散的问题，提出了用于提升水下光纤激光推进性能的短微腔结构。文中利用Fluent对添加微腔后水下光纤激光推进的结果进行了数值模拟，分析了矩形微腔结构的直径和长度对推进的影响，并在矩形微腔基础上提出U形微腔、双管微腔及含有阻塞结构的微腔。通过仿真得到了不同微腔对推力和冲量耦合系数的增大效果，证明了添加微腔可使水下光纤激光推进的冲量耦合系数得到103数量级的增大，并通过对比得出4种微腔结构中，双管微腔的结构形态对激光推进的性能提升影响最大，提升效果最好。
激光光学 水下激光推进 微腔结构 性能优化 冲量耦合系数
红外与激光工程
2022, 51(6): 20210422
航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能，对常见的七种金属材料：Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au，使用波长1 064 nm，脉宽8 ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀，测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数，获得了激光功率密度对推进性能的影响规律。实验结果表明：相同激光功率密度下，Fe的烧蚀质量最大，Y的烧蚀质量最小；Al,Au,Cu的冲量较大，Ag的冲量最小；Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大，分别在激光功率密度为
$1.72 \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$![]()
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和
${{2}}{{.98}} \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$![]()
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时达到40.7 μN/W和500 s的最大值，平均能量转化效率可达6%。
红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210277
为了精确地研究全覆盖条件下高能脉冲激光辐照空间碎片的冲量矢量的特性, 在假设烧蚀阈值系数、激光入射能量密度和冲量耦合系数随到靶能量密度线性变化的基础上, 提出了精细描述冲量耦合系数的处理方法, 进一步完善了冲量矢量的数值计算方法。以圆柱体碎片为例, 通过仿真实验, 从不同角度分析了冲量耦合系数对冲量矢量的影响, 并指出适当提高激光入射能量密度能够显著增大冲量矢量。
激光技术 激光烧蚀 高能脉冲激光 冲量耦合系数 空间碎片 激光与光电子学进展
2016, 53(12): 121404
1 中国科学院光电研究院 空间系统总体室, 北京 100094
2 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
优化了一维纳秒脉冲激光等离子体化空间碎片的流体力学模型。流体力学模型分为等离子体状态方程求解、空间碎片与激光能量耦合计算、激光推进冲量耦合系数计算三个模块。在各模块实现的基础上, 重点分析了碎片等离子体温度、速度、压强、密度的时间和空间分布规律。考虑到等离子体屏蔽效应对激光效能的影响, 提出等离子体对激光逐层吸收的计算方法, 更准确分析激光功率密度和脉宽对激光清理空间碎片效能的影响, 提出了获取最优激光效能的方法。最后与实验经验公式解相比较, 验证了优化模型的正确性。
空间碎片 等离子体 纳秒脉冲激光 冲量耦合系数 space debris plasma nanosecond pulse laser momentum coupling coefficient 红外与激光工程
2016, 45(s1): S129002
装备学院激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416
激光微推进技术是利用激光与物质相互作用产生的力学效应实现推进的一种新的激光动力的电推进技术。液态工质是激光微推进工质选择的最新热点，其与激光相互作用所形成的冲量耦合特性决定了液态工质激光微推进性能的好坏。利用激光干涉差动测量微小冲量的扭摆装置，以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、单组元凝胶推进剂(单推-3)和甘油为工质，测量注入不同激光能量条件下，所形成的冲量和冲量耦合系数大小，进而针对冲量耦合性能较好的GAP工质，测量了比冲和烧蚀效率。结果表明：液态GAP冲量耦合特性较好，冲量耦合系数一般在500 μN/W以上，最高可达1 493.0 μN/W，但是，比冲和烧蚀效率较低，比冲最高仅为140 s，烧蚀效率为37.6%。
激光微推进 比冲 冲量耦合系数 烧蚀效率 laser micro propulsion specific impulse impulse coupling coefficient ablation efficiency
为了研究大气条件下，正焦移距离对冲量耦合系数的影响，采用能量为15.7×(1±6%)J的激光脉冲聚焦于铝靶前端，通过改变激光焦点距离靶面的位置，获得了冲量耦合系数与正焦移距离的对应关系。结果表明脉冲激光在与大气环境中的铝靶相互作用时，靶面通过能量转移获得的冲量耦合系数与激光焦点距离靶面的位置呈非单调性变化。焦移距离在从0~20 mm之间变化时，获得的冲量耦合系数从4.48×10-5 N?s/J连续下降到1.68×10-5 N?s/J，随着焦移距离的进一步增大，冲量耦合系数在20~35 mm间呈缓慢上升趋势，在35 mm处升至2.21×10-5 N?s/J后转而下降，在45 mm处降至1.91×10-5 N?s/J。文中采用大气中激光支持爆轰波与固体靶面相互作用的二维模型对上述物理过程进行理论计算，获得了与实验结果较为一致的结论。
激光烧蚀 冲量耦合系数 TEA CO2激光器 laser ablation impulse coupling coefficients TEA CO2 laser
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安 710024
为了获得高能紫外激光输出,开展了电子束泵浦XeCl准分子激光技术研究。详细介绍了四向电子束泵浦准分子激光装置的工作原理和结构特征,简述Marx发生器的放电电压、放电电流,激光气室中的沉积能量,激光脉冲能量、脉宽等参数的测量方法; 研究了电子束泵浦XeCl准分子激光输出特性,得到了激光脉冲能量随激光气室内混合气体气压变化的规律,当激光器的充电电压为81 kV时,获得了能量100 J、脉宽200 ns的XeCl准分子激光输出,其本征效率约为3.2%。并且开展了XeCl准分子激光辐照涂层材料力学特性研究,采用微型红外通光冲量探头测量不同条件下激光辐照涂层材料的冲量耦合系数,在常压空气环境中的冲量耦合系数约为8.32×10-5 N·W-1。
XeCl准分子激光 电子束泵浦 Marx发生器 本征效率 冲量耦合系数 XeCl excimer laser electron-beam pump source Marx generator intrinsic efficiency impulse coupling coefficient 强激光与粒子束
2015, 27(4): 041012
浙江大学热工与动力系统研究所, 浙江 杭州 310027
综述了近10 年来国内外液体靶材激光推进的主要研究成果。分析了液体靶材激光推进的一般机理，得出了溅射是液体靶材推进性能主要制约因素的结论。提出了改变靶材结构形态和增大靶材黏度从而改善推进性能的两种有效途径，依据不同途径依次评述了体状、膜状、滴状和高黏度液体靶材的性能特点，并总结出了己烷炮靶、雾化水滴和高黏度溶液这三种综合推进性能较好的液体靶材。最后指出了复合靶材将成为未来液体靶材激光推进的一个重要发展方向。
激光光学 激光推进 液体靶材 比冲 冲量耦合系数 激光与光电子学进展
2014, 51(5): 050002
装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
利用激光清除空间碎片被认为是一种可行手段, 冲量耦合系数是数值计算空间碎片清除效果的重要参数。建立了激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型, 引入电离度参数, 将气化机制与等离子体机制两种机制下的冲量耦合系数解析计算模型联系起来, 建立统一的耦合系数解析模型。以空间碎片常见材料Al为例, 计算得到冲量耦合系数、电离度、激光功率密度三者之间的变化关系。随着激光功率密度的增加, 气化机制逐渐向等离子体机制过渡, 电离度增加, 直至完全电离, 冲量耦合系数先增加后减少, 并且在等离子机制占主导情况下达到最优冲量耦合。
激光烧蚀 冲量耦合系数 电离度 空间碎片 laser ablation impulse coupling coefficient ionization fraction space debris
