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激光引致水誘導(dǎo)空氣擊穿所獲無約束流場演化過程的實驗研究
(論文部分內(nèi)容摘抄)
激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理研究很早就受到廣大學(xué)者的關(guān)注，由于研究目的不同，關(guān)注點也不同。水作為一種特殊的物質(zhì),在揭示激光與液體相互作用機(jī)理及其應(yīng)用的研究中成為熱點之一。學(xué)者們在研究激光與水相互作用時側(cè)重點各不相同，如激光擊穿水時的能量沉積現(xiàn)象、動力學(xué)現(xiàn)象(氣蝕空穴等)、力學(xué)效應(yīng)和流場演化等。
近幾十年發(fā)展起來的先進(jìn)航天推進(jìn)技術(shù)激光推進(jìn),也因水的廉價、安全、清潔、容易獲得等特點而對其青睞有加，美國、日本和中國都有文獻(xiàn)報道水工質(zhì)激光推進(jìn)方面的研究進(jìn)展。這些研究大多只關(guān)注兩個推進(jìn)性能參數(shù),即沖量耦合系數(shù)和比沖，對于水工質(zhì)激光推進(jìn)機(jī)理方面的研究較少。研究結(jié)果表明，水作為工質(zhì)時，所獲沖量耦合系數(shù)比空氣作為工質(zhì)時高一個數(shù)量級，可達(dá)幾千N/MW，而大量濺射水使得其比沖只有10s的量級。這些參數(shù)使得水工質(zhì)激光推進(jìn)利弊各半，即擁有高沖量耦合系數(shù)的同時，所獲比沖太低。為優(yōu)化水工質(zhì)激光推進(jìn)性能，必須深入揭示其機(jī)理,而對流場演化過程的研究是探尋水工質(zhì)激光推進(jìn)機(jī)理的重要內(nèi)容之一。
利用（德國 Excelitas PCO 公司HSFC-PRO 四通道像增強(qiáng)器相機(jī)）高速相機(jī)和紋影系統(tǒng)，拍攝到了CO激光與自來水相互作用時,水誘導(dǎo)空氣擊穿后所形成流場的演化照片，并對波系結(jié)構(gòu)、激波速度和波陣面壓強(qiáng)進(jìn)行分析,獲得了一些對水工質(zhì)激光推進(jìn)研究有益的認(rèn)識。
實驗裝置：
實驗裝置主要包括激光加載系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、2個脈沖發(fā)生器、2個光電二極管、德國 Excelitas PCO 公司pco.dcam 像增強(qiáng)器相機(jī)、閃光源和一個焦距為300mm砷化鎵透鏡等，目前實驗室pco.dcam型號數(shù)字式超高速相機(jī)短曝光時間為3ns，拍攝間隔短為1ns，可以連續(xù)拍攝4幅照片。為完整研究等離子體點火和激波演化的全過程,需要有效拼接多組照片，以形成流場演化的系列照片，這就對時序控制和點火特性的重復(fù)性提出了嚴(yán)格的要求。
實驗結(jié)果：
在實驗中出現(xiàn)了兩種現(xiàn)象：
1、擊穿位置發(fā)出明亮的光，實驗結(jié)束時,濺射到透鏡上的水滴細(xì)小目分布均勻；
2、擊穿位置發(fā)出的光比較暗，濺射到透鏡上的水滴較大，且分布非常不均勻。
可以判斷，與前者相比,后者濺射出的水量較大。根據(jù)后續(xù)的研究結(jié)果,造成兩種現(xiàn)象的原因是：前者為水誘導(dǎo)的空氣擊穿，擊穿點在水面上方，濺射的水是空氣中爆轟波與水相互作用所致，此時水中的激波強(qiáng)度較弱；后者為水燒蝕,燒蝕發(fā)生在從水面到水面下幾微米處(依賴于液體對激光的吸收深度)，燒蝕產(chǎn)生的氣蝕空穴破裂時使得大量水從自由面濺射出去。
圖為實驗獲得的一組較完整的紋影照片20.0~29.0us之間的4幅照片與前面的流場相比，有一定的不連貫性.
這是由于實驗過程中，激光能量有一定的波動，這也是實驗數(shù)據(jù)處理時，產(chǎn)生誤差的一個因素。
德國 Excelitas PCO 公司的HSFC-PRO像增強(qiáng)相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點，將可實現(xiàn)高效的單光子檢測，為實驗提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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