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1、华中科技大学 硕士学位论文 空气呼吸模式激光推进机理研究 姓名：翟冰洁 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：程祖海;左都罗 20060428 I 摘 要 激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的作用力推动飞行器前进的新概 念推进技术。该技术在微小卫星近地轨道发射、在轨机动、轻型无人机等航空航天 领域有重要应用前景。根据有无消耗卫星自身携带的推进剂，激光推进可分为空气 呼吸模式和烧蚀模式。本文对激光推进进行了初步的理论和实验研究。 首先对激光推进做了理论推导和计算，提出了采用两种模式结合的方法来实现 有限激光功率条件下微小卫星的近地轨道发射。计算可得到如下发射方案：利用 100kW
2、 激光器，首先采用空气呼吸模式下，将质量为 5kg飞行器在 133.1s 内发射至 39.7km 的高空，在最高点处启用烧蚀模式在 200s 内把飞行器提升 49.482km，从而 实现了把飞行器从地面发射到近太空。 其次， 利用实验室自行研制的脉冲紫外预电离 TEA CO2激光器进行了空气呼气模 式下的推进实验，对激光参数和光船的构型对推进效果的影响进行了初步研究，得 到了一些有价值的结果。 在金属线导引抛物面光船垂直推进实验中，得到了 390 N/MW 的冲量耦合系数， 这一结果远远高于目前世界上用电子束维持放电 CO2激光器获得的空气呼吸模式冲 量耦合系数。这是由于光船的构型和作用的激光
3、脉冲波形不同带来的。 对激光与抛物面光船相互作用时产生的空气扰动情况进行了实验研究。研究发 现：抛物面光船的焦距会对光船外部空气扰动造成影响。长焦距光船时的空气扰动 为双冲击波结构，短焦距光船的空气扰动则仅为单冲击波结构。此外还发现空气扰 动在激光脉冲结束很长时间后还存在。 使用单色仪观察了等离子体线状光谱随时间演化过程。发现使用单色仪观察到 的离子谱的衰减速率比光电二极管探测到的等离子体发光快得多，说明把光电二极 管探测到发光时间作为等离子体持续时间并不合适。同时，还发现等离子发光持续 时间比激光脉冲持续时间要长，离子谱线随时间演化过程与激光脉冲波形密切相关。 关键词: 激光推进;空气呼吸模
4、式;冲量耦合系数;等离子体 II ABSTRACT Laser propulsion, which works on the force generated during the interaction between high- power laser and propellant, is a new concept technique for propulsion. The technique is considered to be a potential process in aeronautics and astronautics such as launching micro sat
5、ellite into Low Earth space、Orbital Maneuvering and light pilotless aircraft. In laser propulsion, there are two modes, which are the air- breathing mode and the ablative mode. The substantial difference of these two modes is that some propellants pre- taken by the craft will be consumed for the abl
6、ative mode while there is no mass losing for the other one. In the thesis, laser propulsion was studied theoretically and experimentally. Firstly, theoretical analysis and calculations for laser propulsion were performed. The result shows that by combining two propulsion modes, micro satellite can b
7、e launched into Low Earth space using a finite laser power. For instance, for 100kW laser power, by using following launching schedule, lightcraft can be launched from ground to near space: first using air- breathing mode, the 5kg lightcraft can be lifted to 39.7km in 133.1s, then, using the ablativ
8、e mode the lightcraft can be lifted to 49.482km in 200s. Secondly, experiments of air- breathing mode were carried out using self- developed UV- preionized TEA CO2 laser. The influences of laser parameters and the lightcraft structure on laser propulsion were investigated. Some useful results were o
9、btained. During the wire- guided vertical flight experiment, impulse coupling coefficient 390 N/MW was obtained, which is much higher than the existed data obtained using electron- beam sustained pulse CO2 laser. This may be caused by the difference of the lightcraft structure and the laser pulse sh
10、ape. Air disturbance after the interaction of pulsed laser radiation with lightcraft wa also studied. It was found that the focal length of the parabolic lightcraft had significant role on the air- disturbance. Two shock waves were detected for longer focal length, but only one shock wave was detect
11、ed for short focal length. Furthermore, it was also found that air- disturbance existed much longer time than that of the laser pulse. III The spectrum of the plasma was detected using monochromator and photodiode. It was found that the delay time of the line spectrum decay detected by the monochrom
12、ator was much shorter than that of the plasma decay detected by photodiode, suggesting that the radiation time detected by photodiode is not considered as the plasma decay time. It is also found that the plasma decay time is longer than the pulse duration and the time evolvement process of line spec
13、trum relates to the pulse shape. Key words: Laser propulsion;Air- breathing mode; Momentum coupling coefficient; Plasma 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽 我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书
14、本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?， 在 年解密后适用本授权书。 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 1 1 绪 论 航天推进是指将飞行器送入预定空间轨道和在轨操作的动力装置，航天推进技 术是实现快速、机动、可靠、廉价地进入和利用空间的关键，是衡量一个国
15、家航天 整体水平的重要标志。 传统的卫星发射需要大型的化学运载火箭，火箭的驱动都是通过化学燃料的燃 烧来实现的，受燃料自身化学能、燃烧温度和效率等固有条件的限制，使比冲（推 力冲量与消耗推进剂质量之比）一般小于 500s，同时由于化学燃料推动中复杂的发 射操作运转模式、高昂的发射成本、低的重复使用率等缺点都限制了人类对太空的 进一步探索。为了克服这些困难，科学家们不断寻找新的推进方法。 目前已经提出的新概念推进技术包括电推进技术、核能源推进技术、激光推进 技术。这几种新概念的推进技术都有各自的优点，在不同的空间任务中有着自己的 优势1，电推进技术比冲很大（25005000s） ，但是推力又太小
16、。核推进推力大，比 冲也较高，但飞行器要携带笨重的核反应装置，且设计和防护复杂，应用前景并不 乐观。而激光推进推力可达到很大，同时比冲也比较高。激光功率较大时，可以达 到 10000N 量级的推力，又可获得 2000s 以上的比冲2，可望将飞行器从地面直接送 入近地轨道，也可用于飞行器空间推进或姿态调整。据估计，激光推进技术一旦获 得广泛应用，将使发射费用降低两个量级左右3，将一个一千克的微小卫星推进到近 地轨道仅需几百美元，远低于用运载火箭发射所需的一万美元的费用，将彻底改变 传统运载火箭发射航天器的模式。 1.1 激光推进的基本概念 激光推进的实质就是激光与物质相互作用，将远距离激光能量导入推进器中的 推进剂中，使其温度急剧升高，形成高温高压气体或等离子体，然后从喷管中喷射 出来，从而产生推力，这种推进严格上称为激光等离子体推进。如图 1.1 所示4。 2 图 1.1 激光推进示意图 激光推进系统主要包括三部分：激光系统、光束发射控制系统、光船，如图 1.2 所示。 图 1.2 激光推进系统示意图 激光推进根据
