1.Theoretical analysis and numerical simulation of laser driven multi-layered flyer

激光驱动多层飞片的理论分析与数值模拟

本研究通过建立二维轴对称数值模型，分析了激光驱动多层飞片在激光照射下的速度形成机理与影响因素;理论计算表明：飞片速度随激光能量与材料配置变化呈非线性关系，绝热层(如Al₂O₃)可提高激光能量的有效吸收，增强飞片完整性和速度;实验使用C/Al₂O₃/Al等结构飞片，验证了模型预测的速度提升，并通过流体力学耦合模拟详细描述了等离子体形成、扩展与飞片运动过程，为优化多层结构设计提供了理论依据。

图1 激光驱动的多层飞轮原理

图2 飞片最大速度由Trott测量并在本文中计算;(a)Al/Al2O3/Al (250 nm/250 nm/3μm) 和 (b)Al/Al2O3/Al (100 nm/250 nm/3μm)

图3 飞片最大速度由Trott测量;在本文中计算为 Kg=4.8;(a)Al/Al2O3/Al (250nm/ 250nm/3μm)和(b)Al/Al2O3/Al (100nm/250nm/3μm)

图4 计算的飞行器速度的关系曲线

图5 测量的飞行器速度与激光通量的关系曲线由Trott提供

图6 实验装置的示意图

图7 传单生成设置的原理图;(a)激光诱导等离子体;(b)飞片加速;(c) 飞片撞击目标

图8 激光驱动多层飞行器的计算模型

2.Launch and impact characteristics of typical multi-layered flyers driven by ns-pulsed laser

纳秒脉冲激光驱动典型多层飞片的发射与冲击特性研究

本文设计了六种多层结构飞片(如Al/Al₂O₃/Al、(C/Mg/Al)/Al₂O₃/Al等)，通过PDV测速与PVDF应力传感器测试其在不同激光通量下的飞行速度、动能耦合效率与冲击性能;结果显示，铝/氧化铜之间的热反应(纳米热剂)可提升飞片动能；镁层的引入有效抑制等离子体横向扩散，提高了飞片完整性与冲击深度;研究强调了飞片材料与结构配置对激光动能耦合与冲击诱导性能的显著影响，具有重要工程应用价值。

图1 多层激光驱动飞轮的结构

图2 (a)实验装置的示意图(b)通过激光烧蚀将传单板沿加速通道发射的过程(c)光子多普勒测速图(d)利用自制PVDF传感器的冲击应力测量原理

图3 激光通量下三组飞行器的速度范围为32.54 J·cm−2至128.03J·cm−2;用虚线表示;整行显示了Lawrence和Trott的分析结果

图4 CuO/Al (0.5μm/0.5μm)的XRD光谱(扫描角度20°≤2θ≤80°);与标准PDS卡相比;氧化铜和铝峰清晰可见;CuO/Al复合薄膜的衍射峰表明 CuO/Al晶型的存在

图5 在61.89J·cm−2激光通量下烧蚀后(a)(C/Mg/Al)/Al2O3/Al和(b)(C/Al)/Al2O3/Al飞行器的透明衬底与烧蚀层之间的界面外观

图6 Al/Al2O3/Al飞片在128.03J·cm−2激光通量下的残余陨石坑的(a)垂直视图和(b)剖面(c)发射传单后在多层传单上留下的残余弹坑图

图7 三组飞片在激光信号下的动能耦合效率在32.54J·cm−2到128.03J·cm−2之间

图8 激光波长为900nm至1700nm的Al/Al2O3/Al层和(C/Al)/Al2O3/Al层的反射率

3.Study on the Technology of Laser-Driven Flyer Hypervelocity Launch

激光驱动飞片超高速发射技术研究

该研究旨在开发一种高效模拟空间微陨石和轨道碎片高速撞击的激光驱动飞片(LDF)系统;该系统利用激光脉冲辐照沉积在透明基底(如K9玻璃)上的铝薄膜，通过等离子体膨胀将未汽化的铝层加速为飞片，可实现3-10 km/s的高速发射;研究系统地分析了飞片速度与激光能量、脉冲宽度、飞片厚度之间的定量关系，并利用光电门、激光切断法及VISAR等方法进行测速;实验考察了飞片对航天器表面功能材料(如K9玻璃和OSR)的损伤形貌和性能退化，显示出LDF系统在微尺度高应力实验模拟中的显著优势

图1 在与金属膜和基底的界面处产生激光诱导等离子体;以发射未烧蚀金属的飞片

图2 激光束的空间分布

图3 单层和多层的飞片靶材结构

图4 LDF的实验装置

图5 典型压电和激光信号的照片

图 6 带激光关闭装置的飞片速度测量装置的示意图描述

图7 小飞片撞击前后的透射率比较

图8 OSR 热控材料的冲击图

参考文献：

[1]Chen L, Wang F, Wu J Y. Theoretical analysis and numerical simulation of laser driven multi-layered flyer[J]. Laser and Particle Beams, 2013, 31(4): 735-745.

[2]Zhang H, Wu L, Hu P, et al. Launch and impact characteristics of typical multi-layered flyers driven by ns-pulsed laser[J]. Optics & Laser Technology, 2019, 120: 105709.

[3]Dai F, Gong Z, Cao Y, et al. Study on the technology of laser-driven flyer hypervelocity launch[C]//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018, 381(1): 012155.

翻译整理：ZYH

编辑校对：ZYH