pco.dicam相機(jī)助力水滴燒蝕多脈沖激光推進(jìn)性能研究
（論文部分內(nèi)容摘抄）
水工質(zhì)以其沖量耦合系數(shù)高、無(wú)污染、易儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。學(xué)者們分別將水泡靶、水車(chē)、水溶液、水膜等用作工質(zhì)，開(kāi)展了單脈沖激光推進(jìn)性能的實(shí)驗(yàn)研究工作。激光參數(shù)和噴管是影 響水工質(zhì)激光推進(jìn)性能的重要因素，大部分文獻(xiàn)報(bào)道中，沒(méi)有利用噴管開(kāi)展研究工作，只是利用了水的激光擊穿效應(yīng)，測(cè)試了推力或者沖量，給出了沖量耦合系數(shù)的研究結(jié)果。有關(guān)激光脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)對(duì)水工質(zhì)激光 推進(jìn)性能影響的報(bào)道還比較少。本文將尺寸為40～80μm的霧化水滴用作工質(zhì)，用實(shí)時(shí)的壓電傳感器推力測(cè)試法開(kāi)展了錐形噴管的多脈沖TEA CO2 激光推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究，研究了脈沖重復(fù)頻率和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)比沖和沖量耦合系數(shù)的影響。利用紋影測(cè)試法研究了水滴燒蝕過(guò)程中的激波等流場(chǎng)變化過(guò)程，分析了推力產(chǎn)生過(guò)程中的主要影響因素。
紋影測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置：
紋影測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。實(shí)驗(yàn)中所用高速相機(jī)是（由廣州市元奧儀器有限公司提供的pco.dicam型號(hào)）為德國(guó)研制的12位超高速變相管相機(jī)。該相機(jī)由攝像頭和４個(gè)PCI板組成，PCI板卡安裝在計(jì)算機(jī)上，與相機(jī)之間通過(guò)光纜實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)間分辨力可達(dá) ns量級(jí)，每個(gè)CCD的分辨力為1280 pixel×1024 pixel，曝光時(shí)間從3 ns到1000 s連續(xù)可調(diào)，延遲時(shí)間最短可達(dá)20 ns。相機(jī)有內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)兩種方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選擇外部電觸發(fā)方式，其條件為：輸入5 V的晶體管，晶體管邏輯（TTL）電平上升沿，上升時(shí)間小于20 ns。
紋影實(shí)驗(yàn)中，不透明的噴管被移除，將噴注器固定在推力測(cè)試架的平板之上，高溫高壓的氣體流場(chǎng)與噴注器和平板耦合產(chǎn)生推力。在零時(shí)刻，觸發(fā)信號(hào)由外部手動(dòng)輸入，工質(zhì)注入系統(tǒng)首先被觸發(fā)，其工作時(shí)間設(shè)置為15 ms，在13 ms的時(shí)刻，激光器被觸發(fā)輸出激光脈沖，激光輻照工質(zhì)產(chǎn)生的等離子體流場(chǎng)輻射出光電信號(hào)，觸發(fā)高速相機(jī)開(kāi)始工作，同時(shí)壓電傳感器采集系統(tǒng)被觸發(fā)，開(kāi)始采集推力信號(hào)。
紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
圖給出了第1個(gè)激光脈沖對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)演化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在激光的傳輸路徑上，從激光擊穿工質(zhì)產(chǎn)生等離子體流場(chǎng)的瞬間開(kāi)始，出現(xiàn)了黑色區(qū)域。這是由于霧化水滴對(duì)CO2 激光的強(qiáng)烈吸收作用（吸收深度為10 μm量級(jí)），使得在激光脈沖輸出的瞬間便產(chǎn)生了高溫高壓的蒸汽區(qū)域，光束前方的蒸汽繼續(xù)吸收激光能量向前方迅速傳播，從而形成了光束前方的黑色區(qū)域；在相反方向的蒸汽區(qū)域在激波流場(chǎng)的推動(dòng)作用下，在逆光束傳播方向上形成了黑色區(qū)域。雖然光束傳播路徑上的CO2能量幾乎被全部吸收，激光束很難穿過(guò)霧化水滴繼續(xù)向前傳輸，但是由于霧化水滴之間存在大量的微小空隙，從而使得激光束能夠穿過(guò)空隙繼續(xù)向前方傳輸。
將霧化水滴用作工質(zhì)，開(kāi)展了TEA CO2激光多脈沖激光推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究工作，同時(shí)開(kāi)展了紋影實(shí)驗(yàn)研究工作。水滴燒蝕模式多脈沖激光推進(jìn)的比沖和沖量耦合系數(shù)等性能參數(shù)下降比較明顯，與多脈沖推進(jìn)理論分析結(jié)果吻合較好。
最后，流場(chǎng)演化過(guò)程的紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同步獲得的推力曲線結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)所用的激光能量（功率）密度范圍內(nèi)，汽化過(guò)程和激波對(duì)推力形成的貢獻(xiàn)都比較大，等離子體流場(chǎng)對(duì)推力形成過(guò)程沒(méi)有貢獻(xiàn)。
德國(guó)Excelitas PCO公司pco.dicam相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測(cè)，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
廣州市元奧儀器有限公司作為德國(guó)Excelitas PCO公司攝像機(jī)在中國(guó)的代理商，為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案，如對(duì)相關(guān)產(chǎn)品感到興趣，歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流，公司網(wǎng)址：www.gzyaco.com、電話：400-860-2677。
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