液体工质激光推进力学性能实验研究

The Thin Liquid Film Engine is the research object of this ietm. The aims of this ietm are:to discover the thrust formation mechanism of laser propulsion with liquid propellent;to study the influence factors of impulse coupling coefficient and specific impulse;to establish dataset of the mechanism performance of laser propulsion with liquid propellent;and to analyse the difference between the experiment results and the calculated ones based on the existing theories.The main research contents include:.(1)study on the physical mechanism and occuring conditions of the three different phenomenon, which are water-induced-air-breakdown, water ablation,and water breakdown, in order to discover the mechanism of energy absorption and conversion..(2)study on the thrust formation mechanism and the mechanical performance parameters, which are thrust, impulse coupling coefficient, and specific impulse, of the three different phenomenon in order to discover the energy coupling mechanism..(3)study on the effects of the characteristic parameters of laser and propellant on the three mechanical performance parameters..The research results have great significances for enriching the theory of the interaction between the laser and the liquid, and promoting the development of laser propulsion with liquid propellent. On one hand, they are improtant accordances to optimize laser thrusters with liquid ablation and to improve the math models of interaction between the laser and the liquid. On the other hand, they are a crucial base for the study on how to convert the laser energy into the kinetic energy of the thruster as largely as possible.

本项目以液膜式推进器为研究对象，旨在通过实验的方法揭示液体工质激光推进推力形成机制、研究冲量耦合系数和比冲的影响因素，建立液体工质激光推进力学性能参数的数据集，分析实验结果与现有理论计算结果之间的差异。主要研究内容包括：.（1）水诱导空气击穿、水击穿和水烧蚀三种现象的物理机制及发生条件，揭示能量吸收和转化机制；.（2）三种不同现象的推力产生机制及其对力学性能参数的影响，揭示能量耦合机制；.（3）建立激光参数和工质物性参数与推力、比冲和冲量耦合系数之间关系的数据集。.研究结果将为优化液体工质激光推力器设计及完善激光与液体相互作用数学模型提供重要依据，为研究激光能量如何最大限度转化为推力器动能这一工程应用不可避免的科学问题奠定基础，对于丰富激光与液体相互作用理论、促进液体工质激光推进技术的发展有重大意义。

项目主要研究工作及所获得的主要结论如下：.（1）建立了激光与液体相互作用瞬态过程实验方法及相应的高性能实验系统。所建高频响推力测试系统、空穴发展过程诊断系统、应力波演化过程诊断系统和全过程流场测试系统可以实现上升时间为微秒量级的推力加载、纳秒量级的空穴发展和应力波演化、推力加载与空穴发展的同步测试以及全工作过程的流场测试，满足液体烧蚀激光推进机理和性能研究的需要，是液体烧蚀激光推进机理和性能研究的重要保障。.（2）利用所建实验方法和实验系统，获得了推力加载特征、空穴和应力波的演化规律及典型现象的物理机制。空穴体积在前几百微秒增长速度极快，之后在蒸气压力、表面张力和重力的作用下保持平衡，当蒸气压力变小时，空穴破裂引起射流。与水诱导空气击穿状态相比，水烧蚀状态所获推力曲线比较光滑，推力曲线峰值较高，叠加的振荡周期较长，振荡幅值较小；当焦点与液面间的距离较小时，水诱导空气击穿状态所获推力曲线特征有所改变，而与临界烧蚀状态的推力曲线特征比较类似；推力的持续时间在100微秒之内，因而溅射引起的水量大，但对于推力没有贡献，形成推力的工质质量小于或者等于推力加载结束时与空穴体积相等的液体质量。在水诱导空气击穿、水烧蚀和水击穿三种现象中，空气中激波初速度都比其对应的水中激波初速度大；而无论是水中激波初速度还是空气中的激波初速度，在水诱导空气击穿条件下都是最大的，水烧蚀条件下次之，水击穿条件下最小。.（3）系统研究了激光能量密度、液面高度和工质种类对液体烧蚀激光推进冲量耦合性能的影响。激光能量密度对冲量耦合系数的影响比较显著；液面高度对粘性较小的液体冲量耦合系数影响不显著，但是对于粘性较大的液体，如甘油，所获冲量耦合系数影响较大；工质种类对冲量耦合系数的影响比较显著，在同样条件下，水比甘油和胶水所获冲量耦合系数大。