本發(fā)明涉及激光移除空間碎片和激光推進技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法。
背景技術(shù):
沖量耦合系數(shù)是激光推進和激光移除空間碎片領(lǐng)域研究的一個重要方面,它定義為激光燒蝕靶材過程中產(chǎn)生的靶動量與入射激光能量的比值,它反映了激光能量轉(zhuǎn)化為靶動量的能力。為了適應(yīng)不同的推力測量需求,國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種測量系統(tǒng),包括扭擺結(jié)構(gòu)、天平結(jié)構(gòu)、單擺結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和形變結(jié)構(gòu)等。激光沖量耦合過程中微小位移量的測量方法包括高速攝影和光學(xué)方法。然而,這些結(jié)構(gòu)大部分為接觸式系統(tǒng),依靠運動參數(shù)難以克服摩擦因素隨機的影響,增加了沖量耦合系數(shù)測量的不確定度。
對于具有高斯波形的激光,雖然脈寬極短,但是均存在一個激光功率密度突破閾值產(chǎn)生推力,推力從無到有,再下降到零的過程。采用pvdf或pcb壓電傳感器可實現(xiàn)推力波形測量,但其對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集響應(yīng)頻率要求較高,動態(tài)標定困難。由于激光燒蝕作用過程非常短暫,大部分的常規(guī)測量手段無法實現(xiàn)推力加載過程的原位測量,無法再現(xiàn)激光燒蝕推力的加載歷史。研究該推力的加載歷史,不僅能夠獲得激光脈沖的沖量耦合系數(shù),而且在提升激光沖量耦合效率和機理研究方面具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
:
針對上述問題,本發(fā)明的目的在于提供一種基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法。該方法通過以下方式實現(xiàn):在真空靶室中進行激光打靶,利用成像型速度干涉儀測量界面粒子速度?;趹?yīng)力波理論,采用流場反演的方法對靶前表面的推力加載歷史進行反演,對推力加載歷史進行時間積分得到激光燒蝕沖量,最后,獲得待測材料的激光沖量耦合系數(shù)。
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題包括:固定待測樣品,避免動態(tài)標定的不確定性?;趹?yīng)力波理論,在獲得激光燒蝕推力加載歷史的同時實現(xiàn)沖量耦合系數(shù)的測量。
本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法,包括以下步驟:
1)在真空靶室內(nèi)設(shè)置有三維平移臺,三維平移臺其上設(shè)置有靶并能夠使靶在三維空間內(nèi)調(diào)整角度與位置;利用前向監(jiān)測望遠鏡和反射鏡對成像型干涉儀的探測激光與相對窗口入射的入射激光光路進行校準,以保證它們在同一條直線上,利用側(cè)向監(jiān)測望遠鏡和平行的兩組反光鏡對靶平面的角度進行調(diào)節(jié),以保證入射激光垂直輻照在靶平面上;
2)入射激光聚焦在靶上產(chǎn)生燒蝕壓力,采用時間同步及延時系統(tǒng),成像型速度干涉儀對靶界面處的速度干涉條紋進行記錄;
3)將采集到的原始干涉條紋信號(界面原位粒子速度歷史)經(jīng)過圖像處理/讀取后得到粒子速度與時間的關(guān)系曲線;
4)基于應(yīng)力波理論,采用先時間后空間的反演方法,以界面粒子速度歷史作為輸入條件,將界面粒子速度歷史曲線讀取為(時間,速度)形式的二元數(shù)組。將數(shù)組代入流體力學(xué)方程,反向推導(dǎo)出靶前表面的推力加載歷史,具體形式如下:
流場各物理量隨時域和空域連續(xù)變化,滿足拉格朗日坐標下的流體力學(xué)質(zhì)量守恒、力學(xué)響應(yīng)和動量守恒方程:
其中x、t、σx、ρ0、u、ε、τ分別表示長度、時間、縱向應(yīng)力、初始密度、粒子速度、體應(yīng)變和剪應(yīng)力。將流體力學(xué)方程組進行時間離散,具體差分格式如下:
v(x+dx,t)=f(p(x+dx,t))(5)
然后以界面粒子速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)進行空間反演計算。對于帶窗口靶,在反演計算前,需要給出界面處的應(yīng)力歷史和比體積歷史。在具體的計算過程中,第1步對界面處進行全時間過程計算,求出其相鄰點處的應(yīng)力歷史;第2步求解該點處的應(yīng)變歷史;第3步求解該點處的速度歷史。最后,依次沿空間向內(nèi)部推進,求解整個流場,獲得加載面處的推力加載歷史,即推力與時間的關(guān)系曲線。
該過程可由matlab或其它自編程序?qū)崿F(xiàn)。
5)對靶前表面的推力加載歷史進行時間積分(即推力-時間曲線下的面積,可通過origin等圖像分析軟件計算):
mδv=∫psdt(7)
其中p為推力加載歷史,s為激光焦斑面積。積分后獲得激光燒蝕產(chǎn)生的沖量。最后,依據(jù)激光沖量耦合系數(shù)的定義,即可獲得激光沖擊耦合系數(shù)。
其中,靶由微米級厚度的待測樣品和窗口材料組成,是通過采用電子束氣相沉積的方法將待測樣品沉積在窗口材料上,或者使待測樣品均勻無間隙的附著在窗口材料上而制成。
其中,窗口材料選用具有與待測樣品波阻抗值近似的透明材料。
進一步地,當(dāng)待測樣品為鋁時,窗口材料為lif。
本發(fā)明提出的種基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法中,采用帶窗口的靶結(jié)構(gòu)固定待測樣品,將動態(tài)標定轉(zhuǎn)為靜態(tài)標定,能夠?qū)崿F(xiàn)激光燒蝕推力波形和沖量耦合系數(shù)的精確測量。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中,1、真空靶室;2、三維平移臺;3、前向監(jiān)測望遠鏡;4、入射激光;5、干涉儀探測激光;6、側(cè)向監(jiān)測望遠鏡;7、時間同步及延時系統(tǒng);8、成像型速度干涉儀(visar);9、靶;10、反光鏡。
圖2是本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量系統(tǒng)中使用的靶結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法中實測的速度干涉條紋圖。
圖4是本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法中界面粒子速度與時間的關(guān)系曲線圖。
圖5是本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法中加載面處的推力加載歷史。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明,但這些僅僅是示例性的,并不旨在對其保護范圍進行任何限定。
參見圖1,圖1顯示了本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可以看出,在基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量系統(tǒng)中設(shè)置有真空靶室1,在真空靶室1內(nèi)設(shè)置有三維平移臺2,三維平移臺2其上設(shè)置有靶9,并能夠使靶9在三維空間內(nèi)調(diào)整角度與位置。利用前向監(jiān)測望遠鏡3和反射鏡10,對成像型速度干涉儀8的探測激光5與相對窗口入射的入射激光4光路進行校準,以保證它們在同一條直線上。利用側(cè)向監(jiān)測望遠鏡6和平行的兩組反光鏡對靶平面的角度進行調(diào)節(jié),以保證入射激光垂直輻照在靶平面上。采用時間同步及延時系統(tǒng)觸發(fā)成像型速度干涉儀,使成像型速度干涉儀對靶界面處的速度干涉條紋進行記錄。其中,前向監(jiān)測望遠鏡3用來監(jiān)測入射激光4和干涉儀探測激光5的光路,側(cè)向監(jiān)測望遠鏡6用來入射激光聚焦在靶上產(chǎn)生燒蝕壓力。
參見圖2,圖2為本發(fā)明的測量系統(tǒng)中使用的待測樣品所組成的靶結(jié)構(gòu),其由微米級厚度的待測樣品和窗口材料組成。采用該結(jié)構(gòu)能夠時使待測樣品在推力加載過程中保持靜止,避免動態(tài)標定過程中的不確定性。窗口材料應(yīng)選用具有與待測樣品波阻抗值近似的透明材料,例如:鋁采用的窗口為lif。通常采用電子束氣相沉積的方法將待測樣品沉積在窗口材料上,或者使待測樣品均勻無間隙的附著在窗口材料上。
以下詳細說明本發(fā)明的基于流場反演的激光沖量耦合系數(shù)測量方法,
實驗中使用能量為86j,焦斑直徑為792μm的激光進行打鋁靶實驗。具有高斯波形的激光直接燒蝕靶材,將形成準等熵的加載過程。成像型速度干涉儀利用光在運動表面反射時產(chǎn)生的多普勒頻移引起干涉條紋移動的原理,根據(jù)條紋移動與反射面運動速度的關(guān)系實現(xiàn)對界面速度的測量。實驗采集到的原始干涉信號即為界面粒子速度的時間歷史(如圖3),讀取圖像可得到界面粒子速度與時間的關(guān)系曲線(如圖4)。
將界面粒子速度歷史曲線讀取為(時間,速度)形式的二元數(shù)組。將數(shù)組代入流體力學(xué)方程,采用流場反演反積分的方法,反向推導(dǎo)出靶前表面的推力加載歷史,具體方法如下:
準等熵壓縮流場各物理量隨時域和空域連續(xù)變化,滿足拉格朗日坐標下的流體力學(xué)質(zhì)量守恒、力學(xué)響應(yīng)和動量守恒方程:
其中x、t、σx、ρ0、u、ε、τ分別表示長度、時間、縱向應(yīng)力、初始密度、粒子速度、體應(yīng)變和剪應(yīng)力。將流體力學(xué)方程組進行時間離散,具體差分格式如下:
v(x+dx,t)=f(p(x+dx,t))(5)
然后以界面粒子速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)進行空間反演計算。對于帶窗口靶,在反演計算前,需要給出界面處的應(yīng)力歷史和比體積歷史。在具體的計算過程中,第1步對界面處進行全時間過程計算,求出其相鄰點處的應(yīng)力歷史;第2步求解該點處的應(yīng)變歷史;第3步求解該點處的速度歷史。最后,依次沿空間向內(nèi)部推進,求解整個流場,獲得加載面處的推力加載歷史(如圖5)。從圖中可以讀出,實驗中加載峰值壓力達到~18gpa,壓力上升前沿為~17ns。
本發(fā)明采用matlab實現(xiàn)該計算,關(guān)鍵計算指令如下:
(5)對靶前表面的推力加載歷史進行時間積分:
mδv=∫psdt(7)
其中p為推力加載歷史,s為激光焦斑面積,即可計算出激光輻照后靶獲得的動量為185.89μn·s。依據(jù)激光沖量耦合系數(shù)的定義,可得到激光沖擊耦合系數(shù)cm=mδv/e=2.187μn·s/j。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明技術(shù)的原理前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍。