激光辐照效应要点.doc

简介切向气流作用下,连续波激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应研究目前还不够深入。本文对该问题开展实验、理论和数值模拟研究, 将空气气流、氮气气流和无气流状态下的辐照效应进行比较, 以分析空气气流的作用。将激光功率密度设定为 205W/cm2 。吹空气气流时, 气流速度分别设置为 、 、 、 、 、 和 ; 吹氮气气流时,气流速度分别设置为 、 、 和 。进行实验分析, 得出合理的初步验证。 1 背景及意义 复合材料在无人机上的应用复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料通过不同的工艺方法结合而成的一种多相材料, 主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点,而且通过各相组分性能的互补和关联,可以获得更优异的性能[1]。在复合材料家族中, 纤维增强树脂基复合材料占有重要地位。这类复合材料的增强材料是各类纤维, 例如碳纤维、玻璃纤维、硼纤维和芳纶纤维等, 基体材料是树脂, 例如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅和聚酯等[2] 。这类复合材料因其优异性能在无人机上得到了广泛应用。在无人机上使用纤维增强树脂基复合材料的优点是多方面的。这类材料的密度比常用金属材料小很多, 可以有效减轻机体质量; 具有优异的可设计性, 可根据飞机的强度和刚度要求进行优化设计; 具有良好的耐腐蚀性, 可满足无人机在恶劣环境下长寿命的特殊要求, 降低维护成本; 易于植入芯片或合金导体, 形成智能材料、结构; 其中的聚合物基复合材料具有特殊的电磁性能, 适当设计可满足无人机结构/ 功能一体的高隐身技术要求[3]。纤维增强树脂基复合材料的应用对无人机结构轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。据统计, 当今世界上各种先进的无人机, 复合材料的用量一般占机体结构总重的 60% ~ 80% , 甚至高达 90% 以上[4] 。例如,美国诺斯罗谱· 格鲁门公司为美空军研制的“全球鹰”高空长航时无人侦察机, 除机身主结构为铝合金外, 其余( 包括机翼、尾翼、后机身、雷达罩和发动机整流罩等) 均由碳纤维/ 环氧、玻璃纤维/ 环氧和芳纶纤维/ 环氧复合材料等制成, 复合材料的用量约占结构总重的 65% ,其中长达 35m 的机翼由 Cytec 公司提供的高模碳纤维/ 环氧复合材料制造[5]。 美国的激光反无人机实验现代战争中, 无人机的作用非常突出。无人机具有无人驾驶、体积小、造价低和战场生存力强等特点,可用于完成侦察、监视、通信中继、电子干扰和攻击等任务[6] ,已经越来越多地投入了实际战场。如何有效拦截无人机, 这是各军事大国都很关注的问题。利用高能激光束来拦截, 具有攻击速度快、命中精度高、火力转移快、抗电磁干扰及效费比高等优点[7] 。经过几十年的发展,高能激光武器技术取得了很大进展,激光反无人机已经具备了现实可能性。 2010 年5月, 在加利福尼亚州沿海, 由雷神公司研制的舰载激光武器系统在战舰雷达的导引下,向距离战舰大约 公里、以 480 公里时速飞行的 4 架无人机射击,无人机在被击中之后的数秒之内着火坠落,图 给出的是无人机被激光击中着火后的视频截图。这套激光武器系统使用了 6 套固态激光设备,合成一束高能激光发射出去。据分析,该激光武器系统有望于 2016 年投入实用[8] 。图 无人机被激光击中着火 研究意义激光武器对目标的毁伤是通过定向发射的激光束与目标的相互作用来实现的。目标上被辐照区域的材料吸收激光能量后, 发生变化, 进而导致相关结构、系统的变化, 最终导致目标的毁伤。因此, 研究激光武器对目标的毁伤机理, 首先需要针对目标上的材料, 研究激光辐照下材料的变化, 即激光对材料的辐照效应。为了评估美军激光武器反无人机的实战可能性, 需要研究激光对无人机的毁伤机理。由于战斗机和无人机上大量使用了纤维增强树脂基复合材料[9-11] ,因此,需要研究激光对这类复合材料的辐照效应。环境条件( 例如切向气流、真空等) 对激光与物质相互作用过程有重要影响。无人机在大气中飞行时, 表面存在切向气流。因此, 本文研究切向气流作用下激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应。本文研究成果还可应用于复合材料抗激光加固技术的研究, 从而提高我国的无人机在激光攻击环境下的生存能力。 2 实验方案设计 实验装置图2 .1 实验装置图实验装置示意图见图 2 .1 。半导体激光器发出的 976nm 激光经空间并束辐照到靶板上, 气流平行流过靶板前表面。各主要设备或仪器的作用说明如下: 通光光闸:控制激光对样品的辐照时间。光电探测器 1: 接收从靶板