本發(fā)明屬于激光爆炸推進技術領域，涉及一種管內激光水下爆炸發(fā)射推進方法。

背景技術：

激光水下爆炸推進是一項充滿挑戰(zhàn)的新概念推進技術，主要是利用激光維持的水下爆轟及產物氣泡的后續(xù)振蕩來實現航行體的水下運動。與傳統(tǒng)的化學燃料推進方法相比，激光水下爆炸推進安全性高、推力輸出易于控制、可以實現柔性和微型推進，展示著良好的發(fā)展前景。

與激光推進的其它分支相比，激光水下爆炸推進的研究工作還十分少見，且主要停留在演示性實驗階段，在開闊水域內激光推進主要依靠液體工質燒蝕帶來的瞬時沖擊加載推進效果，而后續(xù)產物氣泡脈動能量自由耗散不能對航行體產生持續(xù)有效推力。目前看來，激光水下爆炸推進雖然獲得了比空氣和真空介質中靶板激光燒蝕更高的沖量耦合系數，但仍然存在比沖小，能量利用率低的問題。因此，如何進一步提高激光水下爆炸推進方式的效率，通過改進優(yōu)化發(fā)射裝置實現，激光水下爆炸推進作為一項新的推進技術，還存在一些相對空白的區(qū)域，比如在激光水下爆炸推進用于管內發(fā)射方向還沒有任何相關研究報道，有必要對其推進發(fā)射方法進行研究，提供更為可行的推進發(fā)射方法及應用方向。

技術實現要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：提供一種管內激光水下爆炸發(fā)射推進方法，利用激光水下爆炸能量及其產物氣泡在發(fā)射管內脈動持續(xù)推動能力。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種管內激光水下爆炸發(fā)射推進系統(tǒng)，其包括：激光器1，用于發(fā)射激光束；發(fā)射平臺，包括發(fā)射水箱4，發(fā)射水箱4內盛裝透明水介質，水介質內布置發(fā)射管6，發(fā)射管6內滑動布置航行體7；激光束穿過透明水介質輻照航行體7尾部，誘導航行體7尾部工質燒蝕，激光與燒蝕氣體相互作用，形成高溫高壓等離子體10，并快速向外膨脹，產生爆轟波推動航行體7運動，隨后爆轟產物形成的高壓氣泡在發(fā)射管約束作用下在水中膨脹收縮往復過程，對航行體7產生持續(xù)推力，從而推動航行體7發(fā)射出發(fā)射管6。

其中，所述激光器1前方布置平面鏡2，激光器1發(fā)射的水平高能脈沖激光束，經過平面鏡2反射后垂直照射發(fā)射水箱4。

其中，所述發(fā)射水箱4上設置光學窗口8，光學窗口8選用φ25.4×4mm的bk7光學玻璃，用于通光。

其中，所述光學窗口8外部設置透鏡3，激光束經過透鏡3聚焦后照射至發(fā)射水箱4。

其中，所述發(fā)射水箱4由透明樹脂制成，其外部設置的數字攝像機5，用于對發(fā)射水箱4內的推進試驗過程進行射像拍照，數字攝像機5的采樣頻率為20000f/s—100000f/s。

其中，所述試驗平臺還包括：同步觸發(fā)儀，同步觸發(fā)儀連接激光器1和數字攝像機5，通過同步觸發(fā)儀實現對激光器1和數字攝像機5的同步觸發(fā)。

其中，還包括：高速示波器，連接激光器1，采集激光能量的時空分布及沖擊壓力特征參數，數字攝像機5和高速示波器所采集的信息用于發(fā)射推進試驗數據分析。

其中，所述激光器1選取調q型nd：yag激光器，單束激光能量2.5j，激光功率密度時間分布為高斯分布，半峰寬約為10ns，激光波長1064nm，出口光斑直徑16mm。

其中，所述水介質采用去離子水。

本發(fā)明還提供一種管內激光水下爆炸發(fā)射推進方法，在進行推進方法試驗前對激光器輸出光斑、能量進行校準測量，獲得單脈沖激光輸出平均能量，并根據試驗狀態(tài)需求調節(jié)確定聚焦位置，激光器開啟的同時，通過同步觸發(fā)儀觸發(fā)數字攝像機，開啟數字攝像機對試驗中激光水下爆炸和航行體運動過程進行全程攝像；試驗中激光從激光器中發(fā)射輸出并通過平面鏡反射后，經透鏡聚焦后平行入射到發(fā)射水箱，并透過光學窗口進入發(fā)射管內，在航行體尾部聚焦燒蝕，產生高溫高壓等離子體并演化為爆轟波，推動航行體運動，隨后爆轟產物在管內反復脈動持續(xù)推動航行體運動出水；高速示波器連接激光器，采集激光能量的時空分布及沖擊壓力特征參數，數字攝像機和高速示波器所采集的信息在試驗后進行數據分析。

(三)有益效果

上述技術方案所提供的管內激光水下爆炸發(fā)射推進方法，通過將高能激光聚焦到模型尾部產生爆轟波及高溫高壓產物氣泡，并在發(fā)射管約束條件下的爆轟波傳播及氣泡脈動產生推力，從而實現將航行體垂直發(fā)射出管；巧妙利用發(fā)射管對爆轟波及產物氣泡的約束作用，將激光水下爆炸能量集中作用于航行體運動，極大減小了能量耗散，提供足夠推力作用及持續(xù)時間，達到了航行體發(fā)射出管能量需求；相比現有的化學燃料發(fā)射推進方法，可實現燃料、推進器與航行體的有效分離，從而降低航行體總重量，以實現增大有效載荷的作用。

附圖說明

圖1為本實施例系統(tǒng)結構示意圖。

圖2和圖3為激光器的激光功率密度時間和空間分布圖。

圖中，1-激光器；2-平面鏡；3-透鏡；4-發(fā)射水箱；5-數字攝像機；6-發(fā)射管；7-航行體；8-光學窗口；9-高壓氣泡；10-等離子體。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內容和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為了實現上述目的，本發(fā)明首先提供一種管內激光水下爆炸垂直發(fā)射推進系統(tǒng)，參照圖1所示，該系統(tǒng)包括：激光器1，用于發(fā)射激光束；發(fā)射平臺，包括發(fā)射水箱4，發(fā)射水箱4內盛裝透明水介質，水介質內布置發(fā)射管6，發(fā)射管6內滑動布置航行體7；激光束穿過透明水介質輻照航行體7尾部，誘導航行體7尾部工質燒蝕，激光與燒蝕氣體相互作用，形成高溫高壓等離子體10，并快速向外膨脹，產生爆轟波推動航行體7運動，隨后爆轟產物形成的高壓氣泡在發(fā)射管約束作用下在水中膨脹收縮往復過程，對航行體7產生持續(xù)推力，從而推動航行體7發(fā)射出發(fā)射管6。

所述激光器1前方布置平面鏡2，激光器1發(fā)射的水平高能脈沖激光束，經過平面鏡2反射后垂直照射發(fā)射水箱4。

發(fā)射水箱4上設置光學窗口8，光學窗口8選用φ25.4×4mm的bk7光學玻璃，用于通光。

光學窗口8外部設置透鏡3，激光束經過透鏡3聚焦后照射至發(fā)射水箱4。

發(fā)射水箱4由透明樹脂制成，其外部設置phantom系列v2512型號高速的數字攝像機5，用于對發(fā)射水箱4內的推進試驗過程進行射像拍照，數字攝像機5的采樣頻率為20000f/s—100000f/s。

進一步地，試驗平臺還包括：modeldg645同步觸發(fā)儀，同步觸發(fā)儀連接激光器1和數字攝像機5，通過同步觸發(fā)儀實現對激光器1和數字攝像機5的同步觸發(fā)；wavemaster808zi高速示波器，連接激光器1，采集激光能量的時空分布及沖擊壓力特征等參數。數字攝像機5和高速示波器所采集的信息用于本實施例發(fā)射推進試驗的分析。

本實施例中，激光器1選取調q型nd：yag激光器，單束激光能量2.5j，激光功率密度時間分布為高斯分布，半峰寬約為10ns，激光波長1064nm，激光功率密度時間和空間分布如圖2和圖3所示，出口光斑直徑16mm；采用透鏡聚焦方法將光斑在航行體尾部進行聚焦，聚焦光斑直徑約2.9mm。

發(fā)射管6的管道長60mm、外徑15mm、內徑3mm；航行體7的圓柱段長度為10mm，頭部為圓錐形，頭部長度為5mm，直徑為3mm；航行體7置于發(fā)射管6的管道內發(fā)射，航行體7與發(fā)射管6管道內徑滑動配合，且發(fā)射管6的內壁面光滑，從而減小航行體運動的摩擦阻力。

水介質采用去離子水，實現激光與燒蝕氣體相互作用時，形成高溫高壓等離子體并快速向外膨脹，產生爆轟波推動航行體運動。

基于上述發(fā)射推進系統(tǒng)，在進行推進試驗前對激光器輸出光斑、能量進行校準測量，獲得單脈沖激光輸出平均能量，并根據試驗狀態(tài)需求調節(jié)確定聚焦位置，激光器開啟的同時，通過同步觸發(fā)儀觸發(fā)數字攝像機，開啟高速數字攝像機對試驗中激光水下爆炸和航行體運動過程進行全程攝像；試驗中激光從激光器中發(fā)射輸出并通過平面鏡反射后，經透鏡聚焦后平行入射到發(fā)射水箱，并透過bk7光學玻璃進入發(fā)射管內，在航行體尾部聚焦燒蝕，產生高溫高壓等離子體并演化為爆轟波，推動航行體運動，隨后爆轟產物在管內反復脈動持續(xù)推動航行體運動出水；高速示波器連接激光器，采集激光能量的時空分布及沖擊壓力特征等參數，數字攝像機和高速示波器所采集的信息在試驗后進行分析。

由上述技術方案可以看出，本發(fā)明通過將高能激光聚焦到模型尾部產生爆轟波及高溫高壓產物氣泡，并在發(fā)射管約束條件下的爆轟波傳播及氣泡脈動產生推力，從而實現將航行體垂直發(fā)射出管；巧妙利用發(fā)射管對爆轟波及產物氣泡的約束作用，將激光水下爆炸能量集中作用于航行體運動，極大減小了能量耗散，提供足夠推力作用及持續(xù)時間，達到了航行體發(fā)射出管能量需求；相比現有的化學燃料發(fā)射推進方法，可實現燃料、推進器與航行體的有效分離，從而降低航行體總重量，以實現增大有效載荷的作用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。