衝量耦合係數

衝量耦合係數是雷射推進區別於其他航天推進的特有參數，定義為推力器在雷射作用下獲得的衝量與入射雷射能量的比值。

衝量耦合係數記作Cm,單位是N*s/J,有時也用N/MW。衝量耦合係數反映了雷射能量轉化為推力器衝量的能力，可用於估算發射一定質量的有效載荷所需的雷射能量，進而估算所需的推進系統各項性能指標和整個發射成本等，對雷射推進研究具有重要作用。

基本介紹

• 中文名：衝量耦合係數
• 外文名：Impulse coupling coefficient

定義

如右圖1所示，設雷射的單脈衝能量為E（單位：J），則衝量耦合係數C_m為

圖1

式中：F為雷射單脈衝產生的推力（N）；為推力作用時間（s）；為雷射單脈衝產生的衝量，是由雷射與物體互相作用時反噴羽流產生的。

設靶材的質量為m，在雷射單脈衝衝量作用下，把靶材獲得的速度為，則衝量耦合係數為

一般由於雷射脈寬很短，作用時間在微秒量級以下，可以認為靶材在瞬間獲得速度。

衝量耦合係數越大，說明消耗單位雷射能量所獲得的衝量越大，因此，衝量耦合係數的實驗測量技術和數據分析方法，是研究雷射推進和雷射清除空問碎片的關鍵技術之一。

影響因素

雷射與靶材物體相互作用機理：靶材表面注入高能雷射，靶材為金屬材料，靶材表面溫度迅速上升，表面達到熔點時熔化處於熔融狀態，表面溫度繼續上升，達到汽化溫度時釋放蒸氣，蒸氣進一步電離形成電漿，產生反噴羽流，使得靶材獲得衝量。如果靶材為非金屬材料，在高能雷射作用下，表面熔融和汽化，產生反噴羽流，使得靶材獲得衝量。

雷射與靶材物體相互作用機理的影響因素如下：

(1)注入靶材表面雷射特性。特徵參數有波長、脈寬、雷射功率密度。

(2)靶材物質特性。材料熱導率、比熱、密度、熔點和汽化點等。

(3)雷射與靶材相互作用特性。雷射在靶材表面反射、吸收和透射，與靶材物體磁導率、電導率和入射雷射波長有關，並且入射雷射波長越短，吸收越大。

具有影響因素為：

1、雷射特性：雷射波長、脈寬、功率密度。

2、靶材物體特性：熱導率、比熱、密度、熔點和汽化點。

3、互相作用特性：磁導率、電導率和雷射波長。

最大衝量耦合係數對應的功率密度，並不是形成電漿的閾值功率密度。最大衝量耦合係數對應的功率密度，大於電漿點火閾值。電漿形成開始就意味著靶材表面雷射熱效率的降低。與兩個電漿相關效應有關：①表面禁止效應一電漿產生阻止輻照雷射入射；②再輻射效應一熱電子傳導和高能帶電粒子產生消耗吸收的雷射能量。

用途

衝量耦合問題不僅取決於雷射束的性質和靶標(材料與結構)的性質，還同靶標的環境氣體、雷射吸收波的特性及電漿禁止等因素有關。根據不同的試驗條件及相應的物理模型，可以得到不同的理論表達式和定標關係．但是衝量耦合係數隨入射雷射功率密度的變化曲線的總趨勢是一致的。