单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

　　吸气式激光推进中,单脉冲能量对冲量耦合系数的影响一直是被普遍关注的问题[1-2],对于探索提高激光推进能量转化效率的途径和实现飞行任务中的推力控制有实际指导意义。受激光器水平限制,各国实验采用的能量范围差异较大,变化规律亦不同。Y.S.Chen等人在实验和数值模拟中发现,当激光脉冲能量超过200J后,冲量耦合系数基本保持不变[3];国内研究范围低于100 J,在13~80 J脉冲能量对冲量耦合系数影响的实验规律解释中,认为存在爆轰波(LSDW)饱和区、爆轰波增益区和爆燃波(LSCW)饱和区,其中能量的调节是通过改造激光器和串联电源模块实现的[4]。目前没有关于相同实验条件和较宽范围内单脉冲能量影响的研究报道,激光脉冲波形、聚焦方式、约束构形选择以及测量方法的精度,都会直接影响实验结果。本文在不进行激光器硬件改造的情况下,利用抛光硅片衰减将激光器能量范围由50~70 J拓展至5~70 J。在复摆法的基础上,结合光指针方法,实现不同大小最大摆角的高精度测量,研究不同脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响。

　　1　测量系统结构设计

　　1.1　激光器

　　实验中采用的高功率脉冲CO2激光器由华中科技大学研制,工作电压为32~40 kV,波长为10.6μm,重复频率为25 Hz,不同电压下稳定输出单脉冲能量为50~70 J,近场光斑呈矩形均匀分布,尺寸53 mm×48mm,原始光斑如图1所示。

　　1.2　喷管

　　为充分接收激光束光斑,设计了一种开口直径80mm的旋转抛物面实验件,如图2所示。材料为铝合金,壁厚约0.5 mm,质量约20.3 g,内表面母线方程y²=20x。内表面经过抛光处理,光洁度良好。为保证低能量情况下能够顺利击穿空气,采用透射率更高的透镜聚焦,抛物面仅作为约束流场的喷管。

　　1.3　复摆

　　复摆主要由喷管、摆杆和增量式旋转编码器组成。3根φ10 mm等直径标准摆杆支持系统转动惯量J的自标定。不计空气阻力,当喷管受到瞬间冲击作用后,复摆发生惯性偏转。编码器将角位移转换为脉冲信号输出,通过示波器采集和计算机处理获得最大摆角θm。若单脉冲激光能量为E,则冲量耦合系数为

式中:L为脉冲激光所产生推力对编码器转轴的力臂。示波器时间测量精度和编码器角度测量精度分别为10-4s和0.045°。力臂L与标准摆杆的选择相关,摆杆越长力臂L越大,则相同冲量加载情况下摆动幅度越小[5]。

　　1.4　光指针

　　为了减小相对误差,在复摆的最大摆角小于2°时,选择光指针方法测量θm,如图3所示。反射片S竖直粘贴在编码器小阻尼转轴的外端,并随转轴做定轴转动。半导体激光器作为光源A,固定于多自由度调节台上。调节系统光路,使入射光线AO和反射光线OB位于同一竖直平面内,且反射点O位于转轴上。当复摆发生摆动后,反射片转动到S′位置,反射光线发生偏转,OB′为最大摆角位置对应的反射光线。冲击摆最大摆角θm满足