甘油的黏度對激光等離子體推進的影響

鄭志遠，賀 然，董愛國，樊振軍

（1.中國地質大學物理實驗教學示范中心，北京100083；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083）

1 引 言

強激光輻照到物質表面將物質離化，產生高速噴射的等離子體.在等離子體噴射的同時，由于動量守恒，產生反方向的作用力，這便是激光等離子體推進的基本原理.激光等離子體推進由于其耦合系數高、發射成本低、有效載荷比高等特點而成為近幾年推進領域的研究熱點[1－2].在激光等離子體推進中，根據其推進材料形態的不同分為固體靶材、氣體靶材和液體靶材推進.一般來說，液體靶材具有較高的動量耦合系數，且便于存儲和供給，是一種理想的推進材料.日本科學家Yabe于2002年首先研究了液體水作為燒蝕材料的激光推進，沖量耦合系數達到3 500N／MW，由此掀起了研究液體靶材的高潮[3].中國科學院物理研究所的張杰小組通過較好地設計約束型靶結構，將液體水的沖量耦合系數提高到了2 500N／MW，相對于直接燒蝕提高了近2個數量級[4－5].Uchida等人對二乙醚、水、乙二醇等液體進行了測量，并提及液體黏度對推進效果的影響[6].對于所有的這些液體靶材而言，在燒蝕過程中存在嚴重的濺射現象，影響了推進效率，特別是推進比沖，目前報道的液體推進中的比沖僅為幾s，這一點嚴重限制了液體推進劑的進一步應用.為解決比沖低的問題，美國學者Sinko[7]在實驗中采用小體積的容器來限制與激光相互作用的液體的量，洪延姬小組采用霧化水滴來控制液體的供給量[8].這些實驗得到的最大比沖也僅有100s，這個結果距離實際應用還有很大的差距.Fardel小組研究了液體聚合物在激光燒蝕后的濺射行為，認為合理黏度的液體是理想的液體推進材料[9].本文選取黏度較大的甘油作為研究對象，測量了黏度對推進效果的影響.

2 實 驗

實驗中用作盛放液體的容器是甲醛樹脂塊材（厚度為0.3cm，直徑為1cm），在甲醛樹脂中有1個深度為0.25cm、直徑為0.4cm的坑，被激光燒蝕的甘油便放于其中.脈沖寬度為10ns、波長為532nm、最大能量為150mJ的脈沖激光經過透鏡（f＝500mm，φ＝50mm）垂直聚焦到甲醛樹脂容器中甘油的表面.為了檢測液體被燒蝕后甲醛樹脂靶的擺動，1束聚焦后的氦氖激光沿靶表面入射到另一端的二極管上.甲醛樹脂靶擺過氦氖激光束的時間由示波器記錄，這樣通過甲醛樹脂容器的厚度便可以獲得其飛行速度，從而獲得其被燒蝕后的動量[10].靶動量與入射激光能量的比值為動量耦合系數.而靶動量與消耗的液體重力的比值為推進比沖.

甘油黏度的變化是通過改變環境溫度來實現的.將甲醛樹脂容器中的甘油放到2個溫度可控的恒溫水浴器之間，通過恒溫水浴的溫度控制實現對甘油溫度的調節.在甲醛樹脂容器的底部放置了溫差電偶溫度計，以實現對溫度的實時測量.實驗裝置示意圖如圖1所示.此外，實驗中每個數據點均測量20次以上，然后取平均值.

圖1 實驗裝置示意圖

3 實驗結果與分析

圖2為甘油在不同環境溫度下產生的靶動量.由圖2可以看出，動量耦合系數隨溫度的升高呈現先增加后降低的變化趨勢，在環境溫度為12℃時，最大靶動量約為6.97×10－4kg·m·s－1；而在環境溫度為40℃時，靶動量約為3.53×10－4kg·m·s－1.實驗中160mJ的激光入射能量，最大靶動量對應的動量耦合系數為4.36×103N／MW.

圖2 甘油在不同溫度下產生的靶動量

圖3為不同入射激光能量下激光燒蝕甘油產生的靶動量.從圖中可以明顯地看出，靶動量隨入射激光能量的增加而增加；激光入射能量越大，環境溫度對靶動量的影響越明顯.

圖3 激光燒蝕甘油產生的靶動量與入射激光能量的關系

甘油作為燒蝕靶材料所產生的動量，除了與本身的物理量如相對分子質量、密度、離化閾值等有關外，還與其黏度密切有關.甘油的黏度隨溫度的降低而始終呈現增大趨勢（表1），而產生的靶動量卻存在最大值.原因是液體靶材所產生的動量一部分來自等離子體的噴射，而另一部分則來自沒有離化的液體的濺射.隨著液體黏度的增加，沒有離化的液體的濺射量將降低，產生的靶動量也隨之降低.合理黏度的液體可以控制本身的濺射行為，從而提高其靶動量和比沖.實驗中將甘油的實驗結果與水的進行了比較，發現相同實驗條件下甘油的靶動量均高于水的，原因之一是甘油的黏度均高于水的黏度.此外，環境溫度對甘油比沖的影響呈現出與靶動量相類似的變化趨勢，最大值約為12s.

表1 甘油在不同溫度下的黏度

圖4是采用壓力傳感器測量的靶燒蝕后產生的壓力.將固定的壓力傳感器與甲醛樹脂容器背部靠在一起，在甘油被燒蝕噴射的同時，給壓力傳感器反作用力，該壓力由傳感器經過信號調制器輸入示波器，再將示波器中信號的振幅大小換算為壓力值.圖4中的插入圖是示波器上顯示的典型壓力信號，該信號的半高全寬約幾十ms.從圖中可以看出，隨入射激光能量的增加，燒蝕壓力呈增加趨勢，大小在幾十N的范圍內（例如在激光能量為160mJ時，產生的壓力約為97.3N），這一點與圖3中的靶動量隨入射能量的增加而增大的結論是一致的.

圖4 不同能量下激光燒蝕甘油產生的壓力

4 結 論

研究了甘油在不同環境溫度下的燒蝕推進效果.由于甘油的黏度較大，受環境溫度的影響較明顯，在激光燒蝕后產生的靶動量呈現最大值.因此合理地利用不同黏度的液體靶材料，在提高動量耦合系數的同時，有效地降低燒蝕過程中的濺射量，可得到合理的動量耦合系數和推進比沖.

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