激光等離子體推進中靶動量測量方法的改進

李 杰，王曉龍，馮文輝，鄭志遠

（中國地質大學數理學院，北京100083）

激光等離子體推進中靶動量測量方法的改進

李 杰，王曉龍，馮文輝，鄭志遠

（中國地質大學數理學院，北京100083）

總結了激光等離子體推進中靶動量的測量方法，設計了雙光束測量方法.該方法能夠減小靶寬度和靶的運動速度對測量結果的影響.

激光等離子體；推進；靶動量

1 引 言

激光等離子體推進技術是一種基于強激光與物質相互作用原理的新型推進技術.與傳統的化學推進相比，激光推進具有載荷比高、推進參量調節范圍更大，易實現數字化控制等特點，而成為目前最具應用前景的推進技術之一［1－2］.在空間垃圾清除、微飛行器的姿態調整、軌道機動、近地軌道發射乃至深空飛行任務中將發揮重要作用.激光推進中有2個重要的參量，動量耦合系數與比沖.動量耦合系數的定義是單位激光能量產生的靶動量，它反映了激光能量的轉化效率.而比沖是消耗單位推進劑所產生的動量，它反映的是工質的利用率.二者中都用到了動量，所以如何獲得該等離子體產生的動量是激光等離子體推進中首先要解決的問題.動量測量的方法很多，其中單擺測量是一種結構簡單、操作方便、測量精度相對較高的測量方法.目前已經有很多的研究小組將該方法應用于等離子體產生的沖量測量之中，但大多數情況下是通過測量靶擺動的角度、幅度或者周期等量，間接獲取靶的動量.鄭志遠等利用靶的寬度和一束平行靶面的探測光獲得了靶的速度，并結合靶質量獲得靶的動量［3－5］.但在實驗中發現，該方法僅適用于靶厚度較大的情況.對于靶厚度較小時，該方法產生的誤差非常大，已經不再適用.為此，本文在原來的基礎上采用2束探測光的方法，該方法能夠明顯降低靶寬度對測量結果的影響，而且與理論值相比偏差小于2%.

2 單擺測量方法

在采用單擺測量靶動量的過程中，典型的裝置是將飛行器模型或者被燒蝕靶固定在擺線的底端，激光器輸出的激光聚焦到靶的表面，將靶離化產生高速噴射的等離子體.根據動量守恒，在等離子體噴射的反方向將產生靶的擺動.在該過程中，通過記錄擺的運動而獲得動量.

擺的記錄方式主要有3種：高速CCD［6］、干涉條紋［7－8］和單光束探測［3，9］.高速CCD能夠記錄下單擺所能達到的最大角度，然后推算出飛行器的初速度，繼而計算出靶的動量.干涉條紋記錄方法是將單擺與一個角耦反射鏡相連，利用光的干涉條紋隨著光程差變化的原理，建立明暗變化條紋的數目與角耦反射鏡（單擺）移動距離的關系，通過示波器觀察明暗變化條紋的數目即可推算出角耦反射鏡（單擺）移動的距離，從而算出靶動量的大小.單光束探測方法是利用一束探測光平行穿過靶面，另一端用光電二極管接收并將信號傳送到示波器.當靶擺通過探測光時會有一段遮擋時間，這時示波器會出現波形.該波形的寬度就是靶通過光束的時間，再利用靶的寬度，即可算出靶的速度，進而通過靶的質量可求出靶的動量.對于這幾種記錄方式高速CCD價格昂貴，而且最大角度對于計算誤差影響較大.激光干涉法結合沖擊擺，既保留了沖擊擺的方法，又利用激光干涉法在測量微小位移的上的優勢，克服了單純沖擊擺無法測量更小沖量的缺點，但對操作和環境的要求較高.單光束探測方法則結構簡單，操作方便，普通實驗室便可實現.

3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.2束相互垂直的He－Ne激光經過半透半反鏡后變成相互平行的2束光，這兩束光作為探測光并平行的穿過靶面.其中的一束He－Ne光直接進入光電管，而另一束He－Ne激光經全反鏡后進入光電管.2個光電管輸出的信號同時輸入示波器.這樣，示波器上采集的2個信號間的時間寬度Δt便是靶擺過2束He－Ne探測光的時間（圖2）.然后由2束探測光之間的距離便可獲得靶擺動速度.如果只有1束He－Ne光平行穿過靶面，示波器上獲得的是單脈沖信號，取信號的半高全寬作為靶擺過探測光的時間，然后由靶的寬度獲得擺動速度.最后與靶質量的乘積獲得動量.

圖1 實驗測量裝置示意圖

圖2 示波器采集的雙束探測典型波形

4 結果與探討

圖3給出了不同靶寬度下測量的靶速度.實驗中擺線的長度為24.5cm，靶寬為0.44mm，探測光光斑直徑為2mm，將靶從偏離中心35°的位置下落.靶在最低點的速度作為理論值，式中：θ為下落角度，l為擺線長度.由圖3可以看出，雙線測量的結果與理論值基本吻合，而且靶寬度越小，吻合程度越好.實驗中的最大測量誤差約2%，這說明對于雙束測量，能夠明顯降低靶寬度的影響.而對于單束測量則呈現出隨靶寬度減小，測量值明顯偏離理論值.對于寬度較大的靶，測量結果與雙束測量的結果差別不大.對于寬度較小的靶，例如在靶寬度為0.12mm時，測量值與理論值的百分誤差已經達到了80%.這說明在該靶寬條件下，單束測量方法已經不再適用.

圖3 擺動速度隨靶厚度的變化關系

對雙束測量結果而言，圖中呈現出的當靶寬度越小，測量值與理論值吻合程度越好的主要原因是：當靶寬較小時，示波器獲得的信號為脈沖信號，在測量2個信號間的時間寬度時誤差較小.當靶寬較大時，信號本身有一定的寬度，在測量2個信號間的時間寬度時會存在一定的誤差，導致測量誤差相對較大.另外，在雙束測量方法中，靶本身的速度對測量結果的影響也較小.如圖4所示，將靶從偏離中心位置不同的角度下落，在最低位置得到不同的速度.從圖4可以看出，雙束測量結果與理論值基本吻合，而單線測量結果隨偏角的增大即靶速度的增加，誤差變大.

圖4 擺動速度與下落角度的關系

5 結束語

本文對目前激光等離子體推進技術中的動量測量方法進行了歸納和總結，并提出了雙線測量方法.結果表明，該方法獲得的結果明顯降低靶寬度的影響，而且與理論值相比，誤差很小.

［1］ 張楠，徐智君，朱曉農，等.激光推進技術［J］.紅外與激光工程，2011，40（6）：1025－1037.

［2］ 陳靜，譚榮清，鄭義軍，等.激光推進沖量耦合系數測量方法比較［J］.強激光與粒子束，2011，23（4）：871－874.

［3］ Zheng Z Y，Zhang J，Lu X，et al.Effects of confined laser ablation on laser plasma propulsion［J］.Chin.Phys.Lett.，2005，22（7）：1725－1728.

［4］ 鄭志遠，賀然，董愛國，等.甘油的黏度對激光等離子體推進的影響［J］.物理實驗，2012，32（2）：7－9.

［5］ 峁軍兵，李洋，程黎鹿，等.液體工質激光推進耦合的實驗研究［J］.物理實驗，2009，29（1）：40－42.

［6］ 李修乾，洪延姬，崔村燕，等.液體工質激光推進沖量耦合系數實驗測試［J］.推進技術，2007，28（5）：526－529.

［7］ 葉繼飛，金星，王廣宇，等.激光干涉法測量微沖量數據處理法［J］.推進技術，2007，28（5）：516－521.

［8］ 金星，洪延姬，崔村燕，等.激光推進沖量耦合系數的測量方法［J］.強激光與粒子束，2004，16（7）：861－864.

［9］ 楊雁南，朱金榮，楊波，等.用于測量激光燒蝕下靶材獲得沖量的方法［J］.中國激光，2007，34（3）：417－421.

Improvement of target momentum measurement in laser plasma propulsion

LI Jie，WANG Xiao－long，FENG Wen－hui，ZHENG Zhi－yuan
（Demonstration Center of Physics Experiment Teaching，
China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Base on the review of measurement methods of laser plasma momentum，a new method using two probe beams was proposed.This method could reduce the effect of target width and velocity.

laser plasma；propulsion；target momentum

V43

A

1005－4642（2012）08－0044－03

［責任編輯：郭 偉］

2012－03－21；修改日期：2012－05－24

大學生創新性實驗計劃項目（No.2011CXY079）；國家自然科學基金（No.10905049）；中央高校科研業務費（No.2010ZY52，2011YXL059）

李 杰（1993－），男，河北石家莊人，中國地質大學（北京）數理學院應用數學專業2009級本科生.

鄭志遠（1975－），男，山東濰坊人，中國地質大學（北京）數理學院副教授，博士，研究方向為強激光與物質作用研究.