激光驅(qū)動飛片動能利用效率分析

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1、激光驅(qū)動飛片動能利用效率分析.趙翔?蘇偉李東杰高楊（中國工程物理研究呢電子工程研究所四川綿陽621900）?＞努力炎高飛片動能利用效率對于減小激光起41系統(tǒng)裝置體枳、It.實現(xiàn)系統(tǒng)小型化具有直接現(xiàn)實意義.本文根據(jù)激光誘導(dǎo)爆轟波（LSDW）理論，分析激光與飛片作用產(chǎn)生甥轟波壓力的時間和空間分布情況，結(jié)合沖盤定理，推導(dǎo)出了激光驅(qū)動飛片動能利用效率的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式.最后，以鋁飛片為例.載點分析了激光參數(shù)（功率密度、脈寬、焦斑直徑）和飛片結(jié)構(gòu)參數(shù)（庠度、直徑〉對飛片動能利用效率的影響.計算結(jié)果表明，飛片動能利用效率與激光的脈寬和飛片直徑成正比關(guān)系.而與聚焦光斑、功率密度以

2、及飛片的厚度成反比關(guān)系.關(guān)鍵詞激光動能小型化1引言激光驅(qū)動飛片技術(shù)是上世紀(jì)70年代由美國SANDIA實驗室首先開發(fā)并使用的一項新技術(shù).由于其在激光起爆、動高壓加載、材料超應(yīng)變以及模擬太空粒子運動規(guī)律方面有廣泛應(yīng)用，因此一經(jīng)問世就受到國內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視。他們在理論和實驗研究方面開展了大量工作，取得了很多有價值的成果冋.飛片動能利用效率是影響激光起爆系統(tǒng)裝置小型化的重要因素之一.而其本身的影響因素又很多.國內(nèi)外豐者一般釆用Gurney模型推導(dǎo)其計算式，由于其中采用的經(jīng)驗參數(shù)較多，不能很好地反映激光參數(shù)詁飛片結(jié)構(gòu)對效率的影響，存在一定的局限性⑴.本文欲通過分析作用

3、在飛片上爆轟波壓力的時空分布，結(jié)合沖量定理和動量與動能的轉(zhuǎn)換關(guān)系解析得到了飛片動能耦合效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并以鋁材為例進(jìn)行了理論計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，得到一些基本結(jié)論.2計算模型在激光脈沖作用期間，激光誘導(dǎo)爆轟波的壓強維持不變，可近似視為一維處理.激光脈沖結(jié)束后,LSDW在橫向和縱向都發(fā)生衰減，應(yīng)視為二維流場分析計算⑷?為了簡化計算，假定激光是“平頂”分布，即：作用于飛片上任何一點的功率密度相同.圖1為LSDW-維結(jié)構(gòu).假設(shè)激光脈寬為tp.定義LSDW二維運動的特征時間切，它等于LSDW波前擴張到光斑直徑距離時所需要的時間，即t24=（1）ivL%式（

4、1）中D,是激光束的光斑直徑，力表示LSDW的傳播速度.其計算公式為：?基金項目：國防十一五預(yù)研重點項目資助課題（51305070402）?作者簡介：趙翔（1974）,男，工穆師，在讀博士，主要從事高能激光應(yīng)用、激光引信技術(shù)的研究工作.阿屮仇+1）⑸VPo式（2）中人為激光功率密度（GW/CMb,Po為飛片表面氣體的密度，九為氣體的絕熱指數(shù)，一般取1.2。定義沖擊波壓力衰減到等于外界氣壓時所對應(yīng)的時刻為S，飛片半徑為禺，激光束的光斑半徑為?,人為激光的功率密度，P。為外界氣壓.由于tp5這兩種情況下，飛片表面所受爆轟波壓強的變化規(guī)律不同，因此，需分別討

5、論：激光光束（1）當(dāng)tpW=PoJ1_（2a±1）^；當(dāng)0<『<5時，LSDW呈平面衰減，即：“LSDW呈圓柱面衰減，即：療⑴二門丄L利'嚴(yán)常因此，激光作用在飛片上的總沖就為:%+10=b（r）力龍（務(wù)）+行幾（/）2皿圧0°如0h不考慮激光燒蝕材料的影響2叫并代入相關(guān)數(shù)據(jù)，由沖量定理得飛片的總動量為:IAr?=2.07x1O'x/畀x/xzrx-21x（107.1x晉xxD；ln-2）4Pq+0.561x10,x以x叮xD；z,xx［（牛嚴(yán)■寸+2.899x/?；x^xl0*x時x叩xxPo其

6、中：p產(chǎn)2.638x1012xIfx堵x巧2”x（空嚴(yán).由E,二血f得到激光傳遞到飛片的動能，即:J2m2112）1/6xp-i/3_2Pq1炸倚J+2.899x/?；x希x10,xIfx?,3xD,3x（21±1）Pog我恥Z宀（畚其中：卩2=1?184X10"X片"X["X+1）]2/3因此，飛片動能利用效率:_（判/6}2P1.史y/6%D-V3_2Po'嚴(yán)X［（譽）7;卜切時，LSDW呈強球面3]}2+0.561X106xI嚴(yán)x爐xDjx（-^_九+1+2.899x耳x龍xIO*x叮xD嚴(yán)x（如±1）"Po（2）當(dāng)tp>tu時當(dāng)g&d時，LSDW壓力不變

7、，即：E"）=PoI?込t衰減，即：pg（t）=p0—^嚴(yán)如）必。推導(dǎo)過程同上，因此可得激光傳遞給飛片的動能%+1tE=莎;麗X{4.483xio5x曙x叮xDjx+3.202xl05x呼xxD；/3xx[（眷嚴(yán)-1]+8.966x106x岸x/fFJxR"x（+j）“x[（￡y“_（眷）"Z?=7?286xlO?xA"因此，飛片動能利用效率^忙牛二響嚴(yán)xf/xQjx（衛(wèi)-）"+3.202%10^石"3/乙才?（旦嚴(yán)x［（芻嚴(yán)-1］刃毎卩&+17、+'$+8.966x10°x屛xI嚴(yán)x叮xD；V6xx［（#）火-（脊）Pl=1.236x（fxli；23計算結(jié)果及

8、討論3.1