水滴烧蚀多脉冲激光推进性能

（论文部分内容摘抄）

水工质以其冲量耦合系数高、无污染、易储存等优点，近年来受到了学者们的广泛关注。学者们分别将水泡靶、水车、水溶液、水膜等用作工质，开展了单脉冲激光推进性能的实验研究工作。激光参数和喷管是影 响水工质激光推进性能的重要因素，大部分文献报道中，没有利用喷管开展研究工作，只是利用了水的激光击穿效应，测试了推力或者冲量，给出了冲量耦合系数的研究结果。有关激光脉冲重复频率等参数对水工质激光 推进性能影响的报道还比较少。本文将尺寸为40～80μm的雾化水滴用作工质，用实时的压电传感器推力测试法开展了锥形喷管的多脉冲_{TEA CO2} 激光推进性能实验研究，研究了脉冲重复频率和脉冲个数对比冲和冲量耦合系数的影响。利用纹影测试法研究了水滴烧蚀过程中的激波等流场变化过程，分析了推力产生过程中的主要影响因素。

纹影测试实验装置：

纹影测试实验装置如图所示。实验中所用高速相机是（由广州市元奥仪器有限公司提供的pco.dicam型号）为德国研制的12位超高速变相管相机。该相机由摄像头和４个PCI板组成，PCI板卡安装在计算机上，与相机之间通过光缆实现串行数据传输。时间分辨力可达 ns量级，每个CCD的分辨力为1280 pixel×1024 pixel，曝光时间从3 ns到1000 s连续可调，延迟时间最短可达20 ns。相机有内部触发和外部触发两种方式，根据实验需求，选择外部电触发方式，其条件为：输入5 V的晶体管，晶体管逻辑（TTL）电平上升沿，上升时间小于20 ns。  

纹影实验中，不透明的喷管被移除，将喷注器固定在推力测试架的平板之上，高温高压的气体流场与喷注器和平板耦合产生推力。在零时刻，触发信号由外部手动输入，工质注入系统首先被触发，其工作时间设置为15 ms，在13 ms的时刻，激光器被触发输出激光脉冲，激光辐照工质产生的等离子体流场辐射出光电信号，触发高速相机开始工作，同时压电传感器采集系统被触发，开始采集推力信号。

纹影实验结果：

图给出了第1个激光脉冲对应的流场演化过程的实验结果，在激光的传输路径上，从激光击穿工质产生等离子体流场的瞬间开始，出现了黑色区域。这是由于雾化水滴对_CO2 激光的强烈吸收作用（吸收深度为10 μm量级），使得在激光脉冲输出的瞬间便产生了高温高压的蒸汽区域，光束前方的蒸汽继续吸收激光能量向前方迅速传播，从而形成了光束前方的黑色区域；在相反方向的蒸汽区域在激波流场的推动作用下，在逆光束传播方向上形成了黑色区域。虽然光束传播路径上的_CO2能量几乎被全部吸收，激光束很难穿过雾化水滴继续向前传输，但是由于雾化水滴之间存在大量的微小空隙，从而使得激光束能够穿过空隙继续向前方传输。

将雾化水滴用作工质，开展了_{TEA CO2}激光多脉冲激光推进实验研究工作，同时开展了纹影实验研究工作。水滴烧蚀模式多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数下降比较明显，与多脉冲推进理论分析结果吻合较好。

最后，流场演化过程的纹影实验结果与同步获得的推力曲线结果表明：在实验所用的激光能量（功率）密度范围内，汽化过程和激波对推力形成的贡献都比较大，等离子体流场对推力形成过程没有贡献。

德国Excelitas PCO公司pco.dicam相机，具备高分辨率、高感光度、快速帧重复率、精确捕捉超快速过程的优点，将可实现高效的单光子检测，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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