[发明专利]一种用于激光烧蚀微推进的比冲直接测量方法

说明书

本发明公开了一种可以同时测量出单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量和相应烧蚀重量的方法，实现比冲的直接测量目的。该方法基于垂直运动的扭摆模型，使单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用和异向作用各一次的方式获得相应冲量和烧蚀重量。根据每次扭摆转角最大峰值和达到最大峰值之前的转角测量值可获取冲量，根据每次扭摆转角的稳态转角均值可获取工质烧蚀重量。采用本发明能够缩短实验周期，避免频繁拆装工质，避免工质污染，确保测量的真实性，提高比冲的测量精度。

技术领域

本发明涉及微推进领域的比冲测量技术。

背景技术

激光微推进技术是目前激光推进领域最有前景的发展方向。激光微推进的工作原理是将脉冲激光整形聚焦于工质表面，通过激光与物质的相互作用，形成微小的物质喷射，实现宏观的冲量效应。比冲是评价激光微推进推进性能的重要指标，它代表了烧蚀单位重量的工质产生的冲量大小。比冲的精确测量有助于分析激光与工质的烧蚀耦合机理，也有助于激光烧蚀微推力器的设计。

通常，比冲的测量由单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量和消耗的工质质量间接测量得到。单脉冲冲量采用扭摆法测量，烧蚀质量采用平均质量法或体积估算法。这会带来两个问题：一是采用平均质量法要求单脉冲烧蚀相互独立，不能重复烧蚀同一个地方，且烧蚀次数至少达到200次以上，才能够用高精度天平测出，可操作性差；二是体积估算法使用规则几何体模拟烧蚀靶坑，但由于工质靶材不均匀，真实靶坑与规则几何体差别较大，引入的误差较大，最大可达50％。如何便捷、有效、高精度地进行比冲测量是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对脉冲激光烧蚀的比冲测量问题，提出一种基于垂直运动扭摆结构，可以同时测量出单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量和相应烧蚀重量的方法，从而可以直接测量比冲。

具体技术方案为：

采用转轴与水平面平行、在垂直面内沿转轴转动的扭摆结构作为测量机构模型，使单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用和异向作用于扭摆各一次，根据每次扭摆的响应计算出冲量和相应的烧蚀质量，从而获得比冲。要求垂直转动扭摆的固有周期T_balance要大于激光烧蚀工质产生的脉冲力持续时间t₀的4倍。

设单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用时，扭摆转角最大峰值对应的时刻为t_p1，转角最大峰值为θ(t_p1)；设单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力异向作用时，扭摆转角最大峰值对应的时刻为t_p2，转角最大峰值为θ(t_p2)；根据每次扭摆转角最大峰值和达到最大峰值之前的转角测量值可获取冲量I，即：

式中，J为测量系统对于转轴的转动惯量，ζ为阻尼比，ω_n为无阻尼自振角频率，b为脉冲力作用力臂。

设单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力同向作用时，扭摆稳态转角均值为设单脉冲激光烧蚀工质产生的冲量与烧蚀质量引起的重力异向作用时，扭摆稳态转角均值为根据每次扭摆转角的稳态均值可获取工质烧蚀重量Δmg，即：

式中，J为测量系统对于转轴的转动惯量，ω_n为无阻尼自振角频率，b为工质烧蚀重量的作用力臂。

设计扭摆时，采用简化模型：冲量I采用瞬间耦合模型计算，θ_max为冲量作用后扭摆转角的最大值；将工质消耗重量当作常稳态推力F计算，θ_equ为扭摆稳态转角。

设计扭摆时，存在两个约束条件：稳态力分辨率是烧蚀工质消耗重量的1/10以下；扭摆的固有周期要大于激光烧蚀工质产生的脉冲力持续时间的4倍。