激光化學微推進推力性能的實驗研究

李龍，胡曉軍，唐志平

(中國科學技術大學 近代力學系，安徽 合肥230027)

0 引言

微推進技術主要用于空間飛行器的軌道和姿態的精確調節和保持，對微小衛星執行任務、星座的編隊飛行，使空間超靜平臺實現無拖曳控制。目前，空間微推進領域在研的微推力器為氣體推力器、脈沖等離子體推力器(PPT)、場效應離子推力器、霍爾推力器、微機電系統(MEMS)推力器、肼推力器、激光微推力器等。激光微推力器與其他幾種方式的典型推進性能［1-9］相比具有沖量比特小、系統質量輕、推力調節范圍寬等優點，在空間微推進領域中具有不可替代的地位。

激光化學微推進是指利用推力器自身攜帶的微型激光器產生的激光與推力器中含能工質相互作用產生高溫高壓氣團反噴獲得推動力的推進技術。其作用過程中有化學能的釋放，新的能量注入使得推進性能得到提高。激光化學微推進屬于燒蝕模式的激光推進，由于燒蝕對激光的功率密度有一定的要求(要高于工質的燒蝕閾值)，一般需要對激光器發出的光進行聚焦整形，考慮到為防止反射式工作方式時對鏡頭的污染，激光聚焦鏡頭需放置于離工質較遠的位置(也不能完全避免噴射羽對鏡頭的污染)，目前國內外大多采用透射式開展激光微推進技術的研究。透射式激光微推進產生的噴射方向性很好，不再額外設計微噴管，直接利用燒蝕工質產生的沖量。

Lippert 等［10］、Phipps 等［11］利用近紅外波長的二極管激光對縮水甘油疊氮聚醚(GAP)、聚乙烯醇硝酸酯(PVN)和聚氯乙烯(PVC)等聚合物進行了實驗研究。疊氮類聚合物GAP 具有很好的推進性能，添加碳粉的GAP 獲得了最高達368%的激光能量利用率η，而添加紅外染料的GAP 獲得了198%的η 值，這都說明了在激光作用后，化學能得到了釋放，使得η 高于100%. 而同樣作為含能工質的PVN 在這種激光條件下并沒能使其化學能得到充分釋放，從而得到的推進性能并不佳。

蔡建［12］對有機玻璃(PMMA)、雙基藥、賽璐珞(CN)等工質進行實驗篩選，實驗發現:有機玻璃具有較高的比沖Isp，最高值達到1 543.7 s，但其沖量耦合系數Cm最高只有6 dyne/W;而雙基藥作為本身含氧化劑的含能工質的一種，Cm的最大值達到了18 dyne/W，Isp最高達到742.5 s;在對55 μm 和100 μm兩種厚度的雙基藥工質推進性能對比中發現，55 μm厚的雙基藥的Cm和Isp都優于100 μm 的。

一般，本身不含氧化劑的工質在激光化學推進中的能量釋放主要發生在激光作用后的高溫高壓氣團在推力器中的流場演化過程中，需要外界提供氧氣。而本身含氧化劑的工質在激光與工質相互作用時就會釋放大量的化學能，這一能量的釋放過程是由工質本身提供的，不需要外界提供氧氣。而激光化學微推進的應用幾乎都是處于真空環境，所以本文選用可釋放能量較高但又相對安全的雙基藥作為工質，在工質厚度方面進行推進性能優化研究。由于雙基藥對近紅外波段的光并不吸收，需要添加紅外染料輔助工質對激光的吸收，本文中選用直徑1.5 μm 的碳粉。

1 衡量推進性能的主要參數

衡量激光推進性能的參數主要有沖量耦合系數Cm，比沖Isp和激光能量利用率η.

Cm為激光與物質相互作用時，推力器獲得的沖量與輸入激光能量的比值［13］，常用單位為dyne/W或N·s/J:

式中:P 為推力器獲得的沖量;E 為激光輸入能量;Δm 為工質燒蝕質量;vE為噴射物質的逃逸速度。

Isp為激光與物質相互作用時，推力器獲得的沖量和工質在燒蝕中損失質量的比，用來衡量工質的利用率［10］，常用單位為s:

式中:g=9.8 m/s2.

η 為激光作用后產生的總動能與輸入激光能量的比［10］:

式中:mt為推力器質量。

由于Δm?mt，則可得

2 實驗原理

如圖1 所示，實驗測量系統由控制電路、激光器、聚焦鏡、工質、扭擺測試裝置、導引示數系統和激光功率計等組成。

2.1 激光輸入能量E 的測量

由于實驗需要控制脈寬以得到不同的脈沖，本文中的激光能量E 由激光的功率W 乘以激光脈寬t得到，如(5)式。

式中:激光功率W 由功率計直接測得;激光脈寬t 由電路控制。

2.2 單脈沖燒蝕質量Δm 的測量

由于每次單脈沖的燒蝕質量很小，很難直接測得，實驗中通過測得工質密度ρ 和燒蝕體積V，由(6)式計算得到單脈沖燒蝕質量Δm.

燒蝕部分為通孔(如圖2 所示)，由金相顯微鏡拍出照片后，對比標尺讀出孔洞面積S. 通過顯微鏡拍攝厚度剖面的照片，對比標尺讀出厚度h. 則

圖2 燒蝕孔洞Fig.2 Ablation hole

2.3 沖量P 的測量

沖量P 的測量用自研制的擋板扭擺系統，其測量原理如圖1 所示，激光經聚焦鏡頭聚焦后穿過工質的透明基底層到達工質藥膜產生燒蝕，噴射物噴到扭擺的擋板上使扭擺偏轉，根據扭擺轉動的角度，可以得到扭擺獲得的沖量。實驗驗證，工質片到擋板的距離控制在1 mm 以內。這樣的測試裝置不僅可以對工質進行實驗，還可以對推力器的單脈沖沖量進行測量，同時避免了多次移動扭擺造成的導引示數誤差。

在微噴射作用以后，扭擺繞扭絲產生偏轉，由角動量守恒、能量守恒方程和材料力學相關知識可得

式中:I 為扭擺的轉動慣量;l 為扭絲的有效長度;J為截面極慣性矩;P 為作用在擋板上的沖量;R 為沖量臂，沖量作用點到扭絲的距離;θ 為扭擺轉動的最大角度。

3 實驗結果和分析

3.1 4種不同厚度雙基藥復合工質的實驗結果(激光功率0.93 W)

實驗所選激光器波長為980 nm，燒蝕激光的功率為0.93 W，聚焦光斑直徑為50 μm，此處的激光功率密度為4.74 ×104W/cm2. 選用25 μm、30 μm、35 μm和40 μm 4 種不同厚度的工質片在不同脈寬t作用下進行實驗研究。

圖3 是25 μm 厚雙基藥復合工質在0.93 W 激光作用下的實驗數據。0 ～2.0 ms 脈寬下的比沖和1.0 ～2.0 ms 脈寬下Cm都呈現出下降趨勢。實驗中，0.8 ms時存在最大η 為83.44%，此時的Cm為28.1 dyne/W，Isp為606.0 s. 激光脈寬為2.0 ms 時，Cm和Isp都降到最低。2.0 ms 處的η 最高只有7.3%.

圖4 ～圖6 分別為30 μm、35 μm、40 μm 厚雙基藥復合工質在0.93 W 激光作用下的實驗數據。

30 μm 工質在脈寬2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明顯低于其在1.0 ms 脈寬作用下的結果。實驗中，在1.0 ms 脈寬作用時存在最大η 為63.22%，此時的Cm為34.6 dyne/W，Isp為373.0 s.激光脈寬為2.0 ms 時，η 最高只有7.6%，對應的Cm為15.3 dyne/W，Isp為101.0 s.

35 μm 工質在脈寬2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明顯低于其在1.0 ms 脈寬作用下的結果。實驗中，在1.0 ms 脈寬作用時存在最大η 為61.67%，此時的Cm為40.6 dyne/W，Isp為310.0 s.激光脈寬為2.0 ms時，η 最高只有8.3%，對應的Cm為18.4 dyne/W，Isp為91.6 s.

圖3 25 μm 厚雙基藥復合工質推進性能Fig.3 Propulsion performance of 25 μm thick double-base propellant

40 μm 工質在脈寬2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明顯低于其在1.0 ms 脈寬作用下的結果。在1.0 ms脈寬作用時存在最大η 為46.2%，此時的Cm為48.7 dyne/W，Isp為194.0 s. 實驗中，激光脈寬為2.0 ms 時，η 最高只有11.9%，對應的Cm為39.0 dyne/W，Isp為62.5 s.

3.2 4種不同厚度雙基藥復合工質的對比分析(激光功率0.93 W)

圖4 30 μm 厚雙基藥復合工質推進性能Fig.4 Propulsion performance of 30 μm thick double-base propellant

將4 種厚度工質在燒蝕閾值處的推進性能參數進行對比，如圖7 所示，可見隨著工質厚度的增加，工質的Cm有漸增的趨勢，而Isp有漸減的趨勢。主要因為，在這種功率密度下，工質片越厚，對激光來說越難將其燒透。在這種透射式的燒蝕中，在厚度方向，工質的作用形式分為兩部分:第一部分，工質是靠激光直接燒蝕產生氣體;第二部分，工質是靠燒蝕后的高溫高壓氣團將其沖出去，這部分工質的質量利用率很低。比沖描述的是工質的利用率，工質片越厚，在同等激光作用下，第二部分的工質所占的比重越大，所以比沖就越低。同時，由于工質片越厚，噴射出的工質會越多，使得沖量耦合系數會略高。

由圖7 可知，4 種工質的η 都在50%附近，沒有出現超過100%的情況，沒能很明顯體現出其作為激光化學微推進的優越性。推測原因可能為:激光的功率密度較低，還不能較好地激發其化學能的釋放，為此針對25 μm 厚的工質，提高激光的功率密度，以期獲得更高的激光能量利用率。

圖5 35 μm 厚雙基藥復合工質推進性能Fig.5 Propulsion performance of 35 μm thick double-base propellant

3.3 25 μm厚雙基藥復合工質的實驗結果(激光功率1.80 W)

激光器波長為980 nm，燒蝕激光的功率較前文提高近1 倍，為1.80 W，聚焦光斑直徑為50 μm，此處的激光功率密度為9.17 ×104W/cm2.

圖8 是25 μm 厚雙基藥復合工質在1.80 W 激光作用下的實驗數據。同前文，該工況下燒蝕閾值為0.2 ms. Cm、Isp和η 都隨著脈寬時間的增加而減小。實驗中，在0.2 ms 脈寬作用時存在最大η 為316.4%，此時的Cm為130.8 dyne/W，Isp為493.0 s.由圖8(c)看到，激光脈寬在0.3 ms 和0.2 ms 時，η都超過了100%，說明雙基藥的化學能得到了釋放，驗證了前一小節的推測。

圖6 40 μm 厚雙基藥復合工質推進性能Fig.6 Propulsion performance of 40 μm thick double-base propellant

4 化學能釋放對微推進的影響

表1 顯示了功率為0.93 W 和1.80 W 兩種激光器作用下，實驗中25 μm 厚雙基藥復合工質獲得最大激光能量利用率時的相關參數。

圖7 4 種厚度的雙基藥復合工質推進性能對比Fig.7 Comparison of 4 double-base propellant with different thicknesses

由表1 可知，在0.93 W 激光作用下，激光脈寬閾值為0.8 ms. 在1.80 W 激光作用下，脈寬閾值降到了0.2 ms，聚焦光斑都為50 μm，燒蝕時激光的功率密度較0.93 W 的情況提高了近1 倍，但燒蝕閾值降低4 倍，則輸入的激光能量降了1 倍，而η 卻提高了2.79 倍，這說明此時化學能的釋放比0.93 W 時更加充分。

表1 兩種功率激光作用下的推進性能對比Tab.1 Comparison of two kinds of laser power

將本文中所選雙基藥復合工質在功率為1.80 W的激光作用下的推進性能與文獻［10，12］中報道的微推進工質的推進性能對比，結果如表2 所示。

表2 不同工質推進性能對比Tab.2 Comparison of different propellants

由表2 可見，作為本身不含氧化劑的PVC、PMMA和賽璐珞，它們的η 都較低，低于50%. 而作為本身含氧化劑的含能工質GAP 和本文所選的雙基藥，由于在激光作用過程中大量的化學能釋放，使得它們的Cm和Isp都很高，從而使得其激光能量利用率都超過了100%.

圖8 25 μm 厚雙基藥復合工質在1.80 W激光作用下的推進性能Fig.8 Propulsion performance of 25 μm thick double-base propellant with laser power of 1.80 W

本文所選的雙基藥復合工質和Lippert 等［10］所選的GAP 工質在摻雜C 粉時的激光能量利用率都超過了300%，是普通工質的6 倍以上，化學能的補充很明顯。這兩種含能工質在摻雜相同紅外吸收劑時也是各有各的優點，雙基藥工質具有較高的Cm，而GAP 工質具有較高的Isp，可根據不同的需要進行選擇。

5 結論

針對激光化學微推進的特點，采用自研制微沖量擋板扭擺系統，對25 μm、30 μm、35 μm、40 μm 4 種厚度自研制的雙基藥復合工質進行實驗研究。激光焦斑為50 μm，功率密度為4.74×104W/cm2. 發現隨著工質厚度的增加，工質的Cm有漸增的趨勢，而Isp有漸減的趨勢。得到了化學能釋放和激光功率密度的關系。利用功率為1.80 W 的半導體激光器，25 μm 厚的雙基藥復合工質的Cm和Isp分別達到了130.8 dyne/W 和493.0 s，此時，名義上的η 高達316.4%，是無化學能釋放工質的6 倍以上，化學能的貢獻非常明顯。實際應用中，在追求較大推力時可選擇較厚的工質;在追求較高比沖時可選擇薄一些的工質。

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