一种管内激光水下爆炸发射推进方法与流程

本发明属于激光爆炸推进技术领域，涉及一种管内激光水下爆炸发射推进方法。

背景技术：

激光水下爆炸推进是一项充满挑战的新概念推进技术，主要是利用激光维持的水下爆轰及产物气泡的后续振荡来实现航行体的水下运动。与传统的化学燃料推进方法相比，激光水下爆炸推进安全性高、推力输出易于控制、可以实现柔性和微型推进，展示着良好的发展前景。

与激光推进的其它分支相比，激光水下爆炸推进的研究工作还十分少见，且主要停留在演示性实验阶段，在开阔水域内激光推进主要依靠液体工质烧蚀带来的瞬时冲击加载推进效果，而后续产物气泡脉动能量自由耗散不能对航行体产生持续有效推力。目前看来，激光水下爆炸推进虽然获得了比空气和真空介质中靶板激光烧蚀更高的冲量耦合系数，但仍然存在比冲小，能量利用率低的问题。因此，如何进一步提高激光水下爆炸推进方式的效率，通过改进优化发射装置实现，激光水下爆炸推进作为一项新的推进技术，还存在一些相对空白的区域，比如在激光水下爆炸推进用于管内发射方向还没有任何相关研究报道，有必要对其推进发射方法进行研究，提供更为可行的推进发射方法及应用方向。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种管内激光水下爆炸发射推进方法，利用激光水下爆炸能量及其产物气泡在发射管内脉动持续推动能力。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管内激光水下爆炸发射推进系统，其包括：激光器1，用于发射激光束；发射平台，包括发射水箱4，发射水箱4内盛装透明水介质，水介质内布置发射管6，发射管6内滑动布置航行体7；激光束穿过透明水介质辐照航行体7尾部，诱导航行体7尾部工质烧蚀，激光与烧蚀气体相互作用，形成高温高压等离子体10，并快速向外膨胀，产生爆轰波推动航行体7运动，随后爆轰产物形成的高压气泡在发射管约束作用下在水中膨胀收缩往复过程，对航行体7产生持续推力，从而推动航行体7发射出发射管6。

其中，所述激光器1前方布置平面镜2，激光器1发射的水平高能脉冲激光束，经过平面镜2反射后垂直照射发射水箱4。

其中，所述发射水箱4上设置光学窗口8，光学窗口8选用φ25.4×4mm的bk7光学玻璃，用于通光。

其中，所述光学窗口8外部设置透镜3，激光束经过透镜3聚焦后照射至发射水箱4。

其中，所述发射水箱4由透明树脂制成，其外部设置的数字摄像机5，用于对发射水箱4内的推进试验过程进行射像拍照，数字摄像机5的采样频率为20000f/s—100000f/s。

其中，所述试验平台还包括：同步触发仪，同步触发仪连接激光器1和数字摄像机5，通过同步触发仪实现对激光器1和数字摄像机5的同步触发。

其中，还包括：高速示波器，连接激光器1，采集激光能量的时空分布及冲击压力特征参数，数字摄像机5和高速示波器所采集的信息用于发射推进试验数据分析。

其中，所述激光器1选取调q型nd：yag激光器，单束激光能量2.5j，激光功率密度时间分布为高斯分布，半峰宽约为10ns，激光波长1064nm，出口光斑直径16mm。

其中，所述水介质采用去离子水。

本发明还提供一种管内激光水下爆炸发射推进方法，在进行推进方法试验前对激光器输出光斑、能量进行校准测量，获得单脉冲激光输出平均能量，并根据试验状态需求调节确定聚焦位置，激光器开启的同时，通过同步触发仪触发数字摄像机，开启数字摄像机对试验中激光水下爆炸和航行体运动过程进行全程摄像；试验中激光从激光器中发射输出并通过平面镜反射后，经透镜聚焦后平行入射到发射水箱，并透过光学窗口进入发射管内，在航行体尾部聚焦烧蚀，产生高温高压等离子体并演化为爆轰波，推动航行体运动，随后爆轰产物在管内反复脉动持续推动航行体运动出水；高速示波器连接激光器，采集激光能量的时空分布及冲击压力特征参数，数字摄像机和高速示波器所采集的信息在试验后进行数据分析。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的管内激光水下爆炸发射推进方法，通过将高能激光聚焦到模型尾部产生爆轰波及高温高压产物气泡，并在发射管约束条件下的爆轰波传播及气泡脉动产生推力，从而实现将航行体垂直发射出管；巧妙利用发射管对爆轰波及产物气泡的约束作用，将激光水下爆炸能量集中作用于航行体运动，极大减小了能量耗散，提供足够推力作用及持续时间，达到了航行体发射出管能量需求；相比现有的化学燃料发射推进方法，可实现燃料、推进器与航行体的有效分离，从而降低航行体总重量，以实现增大有效载荷的作用。

附图说明

图1为本实施例系统结构示意图。

图2和图3为激光器的激光功率密度时间和空间分布图。

图中，1-激光器；2-平面镜；3-透镜；4-发射水箱；5-数字摄像机；6-发射管；7-航行体；8-光学窗口；9-高压气泡；10-等离子体。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了实现上述目的，本发明首先提供一种管内激光水下爆炸垂直发射推进系统，参照图1所示，该系统包括：激光器1，用于发射激光束；发射平台，包括发射水箱4，发射水箱4内盛装透明水介质，水介质内布置发射管6，发射管6内滑动布置航行体7；激光束穿过透明水介质辐照航行体7尾部，诱导航行体7尾部工质烧蚀，激光与烧蚀气体相互作用，形成高温高压等离子体10，并快速向外膨胀，产生爆轰波推动航行体7运动，随后爆轰产物形成的高压气泡在发射管约束作用下在水中膨胀收缩往复过程，对航行体7产生持续推力，从而推动航行体7发射出发射管6。

所述激光器1前方布置平面镜2，激光器1发射的水平高能脉冲激光束，经过平面镜2反射后垂直照射发射水箱4。

发射水箱4上设置光学窗口8，光学窗口8选用φ25.4×4mm的bk7光学玻璃，用于通光。

光学窗口8外部设置透镜3，激光束经过透镜3聚焦后照射至发射水箱4。

发射水箱4由透明树脂制成，其外部设置phantom系列v2512型号高速的数字摄像机5，用于对发射水箱4内的推进试验过程进行射像拍照，数字摄像机5的采样频率为20000f/s—100000f/s。

进一步地，试验平台还包括：modeldg645同步触发仪，同步触发仪连接激光器1和数字摄像机5，通过同步触发仪实现对激光器1和数字摄像机5的同步触发；wavemaster808zi高速示波器，连接激光器1，采集激光能量的时空分布及冲击压力特征等参数。数字摄像机5和高速示波器所采集的信息用于本实施例发射推进试验的分析。

本实施例中，激光器1选取调q型nd：yag激光器，单束激光能量2.5j，激光功率密度时间分布为高斯分布，半峰宽约为10ns，激光波长1064nm，激光功率密度时间和空间分布如图2和图3所示，出口光斑直径16mm；采用透镜聚焦方法将光斑在航行体尾部进行聚焦，聚焦光斑直径约2.9mm。

发射管6的管道长60mm、外径15mm、内径3mm；航行体7的圆柱段长度为10mm，头部为圆锥形，头部长度为5mm，直径为3mm；航行体7置于发射管6的管道内发射，航行体7与发射管6管道内径滑动配合，且发射管6的内壁面光滑，从而减小航行体运动的摩擦阻力。

水介质采用去离子水，实现激光与烧蚀气体相互作用时，形成高温高压等离子体并快速向外膨胀，产生爆轰波推动航行体运动。

基于上述发射推进系统，在进行推进试验前对激光器输出光斑、能量进行校准测量，获得单脉冲激光输出平均能量，并根据试验状态需求调节确定聚焦位置，激光器开启的同时，通过同步触发仪触发数字摄像机，开启高速数字摄像机对试验中激光水下爆炸和航行体运动过程进行全程摄像；试验中激光从激光器中发射输出并通过平面镜反射后，经透镜聚焦后平行入射到发射水箱，并透过bk7光学玻璃进入发射管内，在航行体尾部聚焦烧蚀，产生高温高压等离子体并演化为爆轰波，推动航行体运动，随后爆轰产物在管内反复脉动持续推动航行体运动出水；高速示波器连接激光器，采集激光能量的时空分布及冲击压力特征等参数，数字摄像机和高速示波器所采集的信息在试验后进行分析。

由上述技术方案可以看出，本发明通过将高能激光聚焦到模型尾部产生爆轰波及高温高压产物气泡，并在发射管约束条件下的爆轰波传播及气泡脉动产生推力，从而实现将航行体垂直发射出管；巧妙利用发射管对爆轰波及产物气泡的约束作用，将激光水下爆炸能量集中作用于航行体运动，极大减小了能量耗散，提供足够推力作用及持续时间，达到了航行体发射出管能量需求；相比现有的化学燃料发射推进方法，可实现燃料、推进器与航行体的有效分离，从而降低航行体总重量，以实现增大有效载荷的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。