[發明專利]一種用于激光燒蝕微推進的比沖直接測量方法

有效

• 申請號: 201611052238.4
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106644395B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 周偉靜;金星;常浩;葉繼飛;李南雷
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G01M11/00
• 分類號: G01M11/00
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明公開了一種可以同時測量出單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量和相應燒蝕重量的方法，實現比沖的直接測量目的。該方法基于垂直運動的扭擺模型，使單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力同向作用和異向作用各一次的方式獲得相應沖量和燒蝕重量。根據每次扭擺轉角最大峰值和達到最大峰值之前的轉角測量值可獲取沖量，根據每次扭擺轉角的穩態轉角均值可獲取工質燒蝕重量。采用本發明能夠縮短實驗周期，避免頻繁拆裝工質，避免工質污染，確保測量的真實性，提高比沖的測量精度。

技術領域

本發明涉及微推進領域的比沖測量技術。

背景技術

激光微推進技術是目前激光推進領域最有前景的發展方向。激光微推進的工作原理是將脈沖激光整形聚焦于工質表面，通過激光與物質的相互作用，形成微小的物質噴射，實現宏觀的沖量效應。比沖是評價激光微推進推進性能的重要指標，它代表了燒蝕單位重量的工質產生的沖量大小。比沖的精確測量有助于分析激光與工質的燒蝕耦合機理，也有助于激光燒蝕微推力器的設計。

通常，比沖的測量由單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量和消耗的工質質量間接測量得到。單脈沖沖量采用扭擺法測量，燒蝕質量采用平均質量法或體積估算法。這會帶來兩個問題：一是采用平均質量法要求單脈沖燒蝕相互獨立，不能重復燒蝕同一個地方，且燒蝕次數至少達到200次以上，才能夠用高精度天平測出，可操作性差；二是體積估算法使用規則幾何體模擬燒蝕靶坑，但由于工質靶材不均勻，真實靶坑與規則幾何體差別較大，引入的誤差較大，最大可達50％。如何便捷、有效、高精度地進行比沖測量是亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于：針對脈沖激光燒蝕的比沖測量問題，提出一種基于垂直運動扭擺結構，可以同時測量出單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量和相應燒蝕重量的方法，從而可以直接測量比沖。

具體技術方案為：

采用轉軸與水平面平行、在垂直面內沿轉軸轉動的扭擺結構作為測量機構模型，使單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力同向作用和異向作用于扭擺各一次，根據每次扭擺的響應計算出沖量和相應的燒蝕質量，從而獲得比沖。要求垂直轉動扭擺的固有周期T_balance要大于激光燒蝕工質產生的脈沖力持續時間t₀的4倍。

設單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力同向作用時，扭擺轉角最大峰值對應的時刻為t_p1，轉角最大峰值為θ(t_p1)；設單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力異向作用時，扭擺轉角最大峰值對應的時刻為t_p2，轉角最大峰值為θ(t_p2)；根據每次扭擺轉角最大峰值和達到最大峰值之前的轉角測量值可獲取沖量I，即：

式中，J為測量系統對于轉軸的轉動慣量，ζ為阻尼比，ω_n為無阻尼自振角頻率，b為脈沖力作用力臂。

設單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力同向作用時，扭擺穩態轉角均值為設單脈沖激光燒蝕工質產生的沖量與燒蝕質量引起的重力異向作用時，扭擺穩態轉角均值為根據每次扭擺轉角的穩態均值可獲取工質燒蝕重量Δmg，即：

式中，J為測量系統對于轉軸的轉動慣量，ω_n為無阻尼自振角頻率，b為工質燒蝕重量的作用力臂。

設計扭擺時，采用簡化模型：沖量I采用瞬間耦合模型計算，θ_max為沖量作用后扭擺轉角的最大值；將工質消耗重量當作常穩態推力F計算，θ_equ為扭擺穩態轉角。

設計扭擺時，存在兩個約束條件：穩態力分辨率是燒蝕工質消耗重量的1/10以下；扭擺的固有周期要大于激光燒蝕工質產生的脈沖力持續時間的4倍。