本發(fā)明涉及微推進(jìn)領(lǐng)域的比沖測(cè)量技術(shù)。

背景技術(shù)：

激光微推進(jìn)技術(shù)是目前激光推進(jìn)領(lǐng)域最有前景的發(fā)展方向。激光微推進(jìn)的工作原理是將脈沖激光整形聚焦于工質(zhì)表面，通過(guò)激光與物質(zhì)的相互作用，形成微小的物質(zhì)噴射，實(shí)現(xiàn)宏觀的沖量效應(yīng)。比沖是評(píng)價(jià)激光微推進(jìn)推進(jìn)性能的重要指標(biāo)，它代表了燒蝕單位重量的工質(zhì)產(chǎn)生的沖量大小。比沖的精確測(cè)量有助于分析激光與工質(zhì)的燒蝕耦合機(jī)理，也有助于激光燒蝕微推力器的設(shè)計(jì)。

通常，比沖的測(cè)量由單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量和消耗的工質(zhì)質(zhì)量間接測(cè)量得到。單脈沖沖量采用扭擺法測(cè)量，燒蝕質(zhì)量采用平均質(zhì)量法或體積估算法。這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是采用平均質(zhì)量法要求單脈沖燒蝕相互獨(dú)立，不能重復(fù)燒蝕同一個(gè)地方，且燒蝕次數(shù)至少達(dá)到200次以上，才能夠用高精度天平測(cè)出，可操作性差；二是體積估算法使用規(guī)則幾何體模擬燒蝕靶坑，但由于工質(zhì)靶材不均勻，真實(shí)靶坑與規(guī)則幾何體差別較大，引入的誤差較大，最大可達(dá)50％。如何便捷、有效、高精度地進(jìn)行比沖測(cè)量是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于：針對(duì)脈沖激光燒蝕的比沖測(cè)量問(wèn)題，提出一種基于垂直運(yùn)動(dòng)扭擺結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)測(cè)量出單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量和相應(yīng)燒蝕重量的方法，從而可以直接測(cè)量比沖。

具體技術(shù)方案為：

采用轉(zhuǎn)軸與水平面平行、在垂直面內(nèi)沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的扭擺結(jié)構(gòu)作為測(cè)量機(jī)構(gòu)模型，使單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用和異向作用于扭擺各一次，根據(jù)每次扭擺的響應(yīng)計(jì)算出沖量和相應(yīng)的燒蝕質(zhì)量，從而獲得比沖。要求垂直轉(zhuǎn)動(dòng)扭擺的固有周期T_balance要大于激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的脈沖力持續(xù)時(shí)間t₀的4倍。

設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用時(shí)，扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t_p1，轉(zhuǎn)角最大峰值為θ(t_p1)；設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力異向作用時(shí)，扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t_p2，轉(zhuǎn)角最大峰值為θ(t_p2)；根據(jù)每次扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值和達(dá)到最大峰值之前的轉(zhuǎn)角測(cè)量值可獲取沖量I，即：

式中，J為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ζ為阻尼比，ω_n為無(wú)阻尼自振角頻率，b為脈沖力作用力臂。

設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用時(shí)，扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角均值為設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力異向作用時(shí)，扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角均值為根據(jù)每次扭擺轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)均值可獲取工質(zhì)燒蝕重量Δmg，即：

式中，J為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω_n為無(wú)阻尼自振角頻率，b為工質(zhì)燒蝕重量的作用力臂。

設(shè)計(jì)扭擺時(shí)，采用簡(jiǎn)化模型：沖量I采用瞬間耦合模型計(jì)算，θ_max為沖量作用后扭擺轉(zhuǎn)角的最大值；將工質(zhì)消耗重量當(dāng)作常穩(wěn)態(tài)推力F計(jì)算，θ_equ為扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角。

設(shè)計(jì)扭擺時(shí)，存在兩個(gè)約束條件：穩(wěn)態(tài)力分辨率是燒蝕工質(zhì)消耗重量的1/10以下；扭擺的固有周期要大于激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的脈沖力持續(xù)時(shí)間的4倍。

與現(xiàn)有技術(shù)項(xiàng)目，采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果：

1.本發(fā)明具有較好的通用性，適用于所有類型微推進(jìn)的比沖測(cè)量；

2.本發(fā)明實(shí)施方便，尤其是在真空模擬環(huán)境下實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，避免頻繁拆裝工質(zhì)，避免工質(zhì)污染，確保測(cè)量的真實(shí)性；

3.本發(fā)明利用巧妙利用沖量的作用方向，根據(jù)方向相反的兩次沖量作用的扭擺響應(yīng)，直接求解沖量和工質(zhì)消耗重量，提高比沖的測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的垂直扭轉(zhuǎn)扭擺受力圖。

具體實(shí)施方案

結(jié)合附圖對(duì)用于激光燒蝕微推進(jìn)的比沖直接測(cè)量方法做進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1為本發(fā)明垂直扭轉(zhuǎn)扭擺受力圖。當(dāng)激光入射方向?yàn)榉较?時(shí)，燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的推力為f₁(t)，因工質(zhì)質(zhì)量消耗產(chǎn)生的重力為m(t)g，稱之為同向作用情況；當(dāng)激光入射方向?yàn)榉较?時(shí)，燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的推力為f₂(t)，因工質(zhì)質(zhì)量消耗產(chǎn)生的重力為m(t)g(同樣的激光參數(shù)和工質(zhì)條件下，假設(shè)每次燒蝕的質(zhì)量相同)，稱之為異向作用情況。為方便，設(shè)定f₁(t)、f₂(t)和m(t)g的作用力臂均為b。

比沖直接測(cè)量方法即是使單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用和異向作用于扭擺各一次，根據(jù)每次扭擺的響應(yīng)計(jì)算出沖量和相應(yīng)的燒蝕質(zhì)量，從而獲得比沖。

采用直接測(cè)量方法的前提是垂直轉(zhuǎn)動(dòng)扭擺的固有周期T_balance要大于激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的脈沖力持續(xù)時(shí)間t₀的4倍。

設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用時(shí)，扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t_p1，轉(zhuǎn)角最大峰值為θ(t_p1)；設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力異向作用時(shí)，扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t_p2，轉(zhuǎn)角最大峰值為θ(t_p2)；根據(jù)每次扭擺轉(zhuǎn)角最大峰值和達(dá)到最大峰值之前的轉(zhuǎn)角測(cè)量值可獲取沖量I，即：

式中，J為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ζ為阻尼比，ω_n為無(wú)阻尼自振角頻率，b為脈沖力作用力臂。

設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力同向作用時(shí)，扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角均值為設(shè)單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量與燒蝕質(zhì)量引起的重力異向作用時(shí)，扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角均值為根據(jù)每次扭擺轉(zhuǎn)角的穩(wěn)態(tài)均值可獲取工質(zhì)燒蝕重量Δmg，即：

式中，J為測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω_n為無(wú)阻尼自振角頻率，b為工質(zhì)燒蝕重量的作用力臂。

當(dāng)測(cè)量出沖量I和燒蝕重量Δmg，比沖I_sp即為：

設(shè)計(jì)能夠直接測(cè)量沖量的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)扭擺時(shí)，要注意以下兩點(diǎn)。一是采用簡(jiǎn)化模型：沖量I采用瞬間耦合模型計(jì)算，θ_max為沖量作用后扭擺轉(zhuǎn)角的最大值；將工質(zhì)消耗重量當(dāng)作常穩(wěn)態(tài)推力F計(jì)算，θ_equ為扭擺穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)角。二是存在兩個(gè)約束條件：穩(wěn)態(tài)力分辨率是燒蝕工質(zhì)消耗重量的1/10以下；扭擺的固有周期要大于激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的脈沖力持續(xù)時(shí)間的4倍。

本申請(qǐng)不局限于說(shuō)明書和權(quán)利要求文字部分所限定的內(nèi)容，任何本領(lǐng)域范圍內(nèi)公知的修改和變化都屬于本申請(qǐng)的范圍，說(shuō)明書具體實(shí)施例部分僅是對(duì)本發(fā)明示例性的說(shuō)明，不是對(duì)本發(fā)明的具體限定。