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激光推进技术的概念最早由美国的Kantrowitz在1972年提出：利用从地面远距离发射的激光照射在飞行器的尾部，使其温度急剧上升，并且形成高温高压的蒸气和等离子体，然后通过飞船尾部喷口喷射出去产生推力[1]。相比于传统化学火箭，激光推进有这许多优点：例如比冲大，效能高，成本低，安全性好，环境污染少；推力调节易于控制等等。这项技术可以用来实现快速发射轻载卫星，调整卫星姿态，清理太空垃圾等等，其衍生技术改进后还可用于攻击。

激光的能量和其转化为推进器冲量的比值叫做冲量耦合系数Cm,关系式为Cm=I/E，即单位激光能量转化的冲量大小，它用来表示激光能量使飞行器获得冲量的能力，是激光推进技术中的重要参数。

1。2  国内外研究进展

1。3  本文的主要工作

    本文的主要工作有：

（1）说明冲量耦合的过程，阐述其理论模型，并讨论各种外界参数对冲量耦合系数的影响。

（2）介绍常见的测量冲量的方法，说明其对应的测量原理，比较各种方法的有缺点。

（3）建立一个改良的冲击摆系统，测量不同涂层靶材在不同激光功率密度下的冲量耦合系数。

（4）比较涂层对冲量耦合系数的影响，并解释其原因。文献综述

2  激光冲量耦合作用机理

2。1  冲量耦合系数计算模型

2。1。1  冲量耦合系数

激光和靶材的相互作用过程主要是激光照射在靶材上，靶材吸收能量迅速升温，熔融气化发生喷射，当激光强度足够大时，靶面附近的蒸气将会被电离形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收后续激光并发生膨胀，这个过程会阻碍后续入射激光对靶材的能量传递，蒸气喷射的射流和等离子体膨胀对靶材形成压力，传递冲量。过程如图1。1所示。冲量耦合系数会受到各种实验参数的影响。

图1。1  激光冲量耦合过程示意图

需要注意的是，激光照射靶产生冲量大多是短脉冲激光，一般都是ns量级的。因为作用时间很短，宏观上的力学作用结果由冲量体现。冲量耦合系数

微观上主要分为靶蒸气和等离子体对靶的冲量耦合 。靶蒸气冲量耦合的计算模型利用空气动力学进行模拟，通过研究真空中激光烧蚀靶蒸气的状态参数，由透明蒸气流动理论计算得到定常靶蒸气的压力p。激光照射开始到靶材开始气化的时间为t，它与靶材的热扩散率和热导率有关。我们可以推导出一维条件下靶蒸气和靶的冲量耦合系数     (2)

式中τ为激光脉宽，I为激光强度。强度够高的激光电离靶蒸气形成等离子体，等离子体和后续激光的相互作用较为复杂，一般利用定标关系来处理。Phipps[16]利用等离子体厚度自调整机理，建立了以 为基元的经典定标关系。他统计了多种波长和脉宽参数的激光实验数据，得到了了激光烧蚀铝材的冲量耦合系数定标律为    (3)

2。1。2  环境参数对冲量耦合系数的影响来-自+优Y尔E论L文W网www.youerw.com 加QQ752018^766

环境参数主要包括气压、温度、湿度等等。国内外研究较多的是气压对冲量耦合系数的影响。研究气压对冲量耦合系数的影响一般是为了提升在大气内飞行的吸气式激光推进技术。这种模式下的激光推进是利用光学聚焦系统将照射在飞行器上的激光汇聚在燃烧室中的一点击穿空气，等离子体状态的激光维持燃烧波（LSC）或激光维持爆轰波（LSD）进而产生推力。这种模式的激光推进不需要携带工质，飞行器可以更轻，但只能在大气中内飞行，并且随着飞行高度的增加，气压会降低，激光冲量耦合系数也回下降。研究表明，当高度到达距地面20km处时，冲量耦合系数Cm仅为地面的一半左右，而当到30km高空时，Cm仅为地面的三分之一[2]。因此发射到太空的飞船高度在20km到30km要切换工作模式，变为火箭烧蚀模式。火箭烧蚀模式是将激光照射在飞船尾部，产生等离子体冲击波提供推力。这种模式的激光推进需要携带工质，可以在真空环境下飞行。Iida[17]、Grant[18]、Owens[19]等人的研究表明适当的气氛对等离子体的适当约束会使等离子体的特征谱线加强，谱线强度去气压上升而加强，但当气压接近大气压强时，谱线强度下降。 (责任编辑：qin)