激光燒蝕液態工質誘發推力特性實驗研究

竇志國++薛永泰　葉繼飛　姚文鵬

摘 要：利用YAG激光器作為能量源，使用高頻響壓力傳感器，對水、酒精、純甘油、含碳質量分數分別為1%和5%的甘油混合物進行了燒蝕實驗。實驗發現，對于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，燒蝕產生的壓電信號越大，其中黏度較小的水和酒精燒蝕產生的推力大于粘性較大的甘油，且對工質浪費比較嚴重。對于甘油含碳質量分數越大，得到的壓電信號越小，但是濺射會明顯減少。

關鍵詞：激光推進 液體燒蝕 推力性能

中圖分類號：TN2，V43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0024-02

Experimental Study of Laser Ablation of Liquids for Characteristics of Induced Thrust

DOU Zhi-guo1， 3 XUE Yong-tai2， 3 YE Ji-fei3 YAO Wen-peng2

（1. Department of Training， Academy of Equipment， Beijing，101416， China； 2. Xian Satellite Control Center，Shaanxi Xian，710043，China；

3. State Key Laboratory of Laser Propulsion & Application， Beijing，101416， China）

Abstract Using a YAG laser as a energy source and a high-frequency response of the pressure sensor， water， alcohol， pure glycerol and a Carbon mass fraction of 1% and 5% glycerol mixture were ablated. It was found that， with the laser energy increases， the larger the piezoelectric signal obtained by the laser ablation for water， alcohol， pure glycerol. For the smaller viscosity of the water and alcohol， the force generated is greater than the high viscosity of glycerol. For glycerol，the greater of the carbon mass fraction， the smaller the piezoelectric signal obtained， but the sputtering would be significantly reduced.

Key words：Laser propulsion liquid ablation thrust performance

激光燒蝕推進的工作過程可描述為激光脈沖，將能量傳送到工質表面，作用導致工質表面發生擊穿、融化、蒸發等現象，產生物質噴射，誘導產生推力。選擇合適的推進工質是激光推進技術中一個關鍵問題。激光燒蝕液體能產生高達3500 N/MW的沖量耦合系數[1]，其次液態工質便于存儲、供靶方式較為靈活，因此具有廣泛應用前景。液體燒蝕推進是由Yabe所倡導，激光輻照鋁靶上水膜，得到了3500 N/MW的沖量耦合系數。John Sinko等采用PCB壓電傳感器和ICCD高速相機等裝置對酒精等液體激光燒蝕力學性能做了研究，確定了液體大量飛濺對產生推力貢獻非常小，浪費了大部分的工質[2]。崔村燕等對水燒蝕激光推進性能進行了實驗研究，發現實驗中隨機出現水燒蝕和水誘導的空氣擊穿[3]。Lippert等人使用YAG激光燒蝕了不同黏度的GAP，實驗顯示，較高黏度的GAP表現出來優異的推力性能 [4]。

該文根據黏度及液體表面張力不同選取了水、純甘油、酒精進行燒蝕實驗。粘性工質兼顧了液體與固體燒蝕的優點，但尚未對其摻雜之后誘發推力特性進行燒蝕研究。因此本文還對純甘油、含碳質量分數分別為1%和%5的甘油混合物進行了燒蝕實驗。

1 實驗裝置及原理

實驗系統是由YAG激光器、DG535信號發生器、PCB傳感器等組成。其中，YAG激光器輸出激光波長為1046 nm，脈寬10 ns，單脈沖最大能量350 mJ。實驗中使用20%分光鏡將部分能量傳輸到能量計實時檢測激光能量。力學測量裝置使用PCB公司的201B03型傳感器，該壓電式力傳感器的固有頻率為90 kHz，測試范圍為0.045～2224 N。傳感器和液體承載裝置固連，并事先預緊、標定。信號調理器的作用是為傳感器提供電源、設置測試參數及工作模式等。DG535延遲/脈沖發生器，可以為整個實驗提供時序，控制激光器觸發出光，還用來調整Q開關延遲來控制激光能量。實驗裝置如圖1所示。

實驗對常溫下酒精、水、純甘油（其物理性質如表1所示）以及含碳比為1%和5%的甘油混合物進行了燒蝕研究。YAG激光經過平面鏡反射，通過聚焦透鏡聚焦在液面之上。燒蝕導致工質噴濺，誘發推力產生。其中，液體承載在鋁制平臺中央的圓型坑狀約束中，PCB傳感器使用配套的螺栓與鋁臺下螺紋孔連接。傳感器接好信號調理器連接到示波器。讀出裝置示波器內部集成了100 Msps的數據采集卡，實時對燒蝕誘導推力進行測量并顯示曲線。

2 不同工質燒蝕特性分析

對酒精、水和純甘油以及含碳質量分數為1%和5%的甘油使用不同能量激光燒蝕。激光能量的調節采用激光器的電壓從低到高調節。每組實驗重復5次以上。使用能量計測算出每一次出光到達靶面的激光能量，剔除偶然因素。壓力模擬信號經數據采集卡采集傳送到示波器，得到電壓-時間曲線。傳感器靈敏度為2248 mv/kN，線性度較好，可以表示燒蝕所產生推力效果。endprint

當激光到達靶面之后，在激光到達靶面之后可以觀測到明亮的等離子體發光。激光燒蝕水和酒精，發生強烈的噴濺，甚至當激光能量較大時候，噴濺時間可以持續到毫秒量級。在聚焦透鏡上和鋁制平臺上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實驗過程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來保持光斑大小和液層厚度，使得實驗條件一致。激光與液態工質作用產生壓力通過鋁制平臺到壓電傳感器轉化電信號、經數據采集、示波器顯示得到壓電信號波形（見圖2～4）。

由所得的壓電信號圖3、圖4可知，對于激光燒蝕酒精、水、純甘油，在保持光斑大小不變的情況下，隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，因此測得的力也隨著增大。所有工質的推力峰值均出現在5.5 μs附近，對比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現在45 μs附近，其原因為Sinko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說明推力峰值時間與所使用激光器自身參數有關。其中，對于不同種類工質取測得推力最大值（此時激光能量平均為156 mJ）對比發現，工質黏度對推力大小影響較大。隨著工質黏度的增大，其推力峰值依次降低。對于純甘油，由于其黏度較大，工質蒸發、氣化、濺射帶來的力學效果均小于水和酒精的激光燒蝕。加之激波在粘性較大的液體中傳播，能量損失較大，導致了測得的壓力較小。

3 工質摻碳比對燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質量分數不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之增大。碳質量分數較大的甘油測得的波形較為扁平，而且激光能量增大，壓力增大的幅值也較小，如圖5～6所示。選取純甘油及其摻碳混合物燒蝕測得的推力峰值對比發現，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因為參碳之后對激光的吸收變為表面吸收，由此濺射變小，帶來的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產生的起始時間基本保持不變。說明激光能量、液體黏度、以及工質參雜不會改變液體工質燒蝕推力產生時間。

4 結論

本文對水、酒精、純甘油、含碳質量分數分別為1%和5%的甘油混合物進行了燒蝕力學性能測試。得到如下結論：

（1）對于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，測得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質得到了最大推力值為81.9 N，酒精為68.3 N。

（2）黏度較小的水和酒精燒蝕產生的力大于黏度較大的甘油，甘油燒蝕得到的最大推力值為35.6 N。但是，水和和酒精燒蝕發生液體濺射較多，對應的比沖會非常低。

（3）甘油含碳質量分數越大，得到的壓電信號越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實驗是大氣下測得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態工質與激光相互作用的物理、化學特性有待進一步探討。另外，對于其噴濺羽流的演化，以及和力學曲線的對比分析將是下一步工作。

參考文獻

[1] Yabe T.，Nakagawa R.， Yamaguchi M.，et al. Simulation and experiments on laser propulsion by water cannon target[C].First International Symposium on Beamed Energy Propulsion.America，2003：185-193.

[2] John Sinko，Lisa Kodgis， Simon Porter，et al.Ablation of liquids for laser propulsion with TEA CO2 Laser[C].Beamed energy Propulsion 4th International Symposium.Japan，2006：308-318.

[3] 崔村燕，洪延姬，文明，等.水燒蝕激光推進性能初步分析[J].推進技術.2010，31（2）：240-242.

[4] T.Lippert，L.Urech， R.Fardel.Materials for Laser Propulsion：“Liquid” Polymers[C].High-Power Laser Ablation Ⅶ，Proc.Of SPIE.2008，7005：700512.

[5] 劉光啟，馬連湘.化工物性手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：542-586.endprint

當激光到達靶面之后，在激光到達靶面之后可以觀測到明亮的等離子體發光。激光燒蝕水和酒精，發生強烈的噴濺，甚至當激光能量較大時候，噴濺時間可以持續到毫秒量級。在聚焦透鏡上和鋁制平臺上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實驗過程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來保持光斑大小和液層厚度，使得實驗條件一致。激光與液態工質作用產生壓力通過鋁制平臺到壓電傳感器轉化電信號、經數據采集、示波器顯示得到壓電信號波形（見圖2～4）。

由所得的壓電信號圖3、圖4可知，對于激光燒蝕酒精、水、純甘油，在保持光斑大小不變的情況下，隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，因此測得的力也隨著增大。所有工質的推力峰值均出現在5.5 μs附近，對比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現在45 μs附近，其原因為Sinko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說明推力峰值時間與所使用激光器自身參數有關。其中，對于不同種類工質取測得推力最大值（此時激光能量平均為156 mJ）對比發現，工質黏度對推力大小影響較大。隨著工質黏度的增大，其推力峰值依次降低。對于純甘油，由于其黏度較大，工質蒸發、氣化、濺射帶來的力學效果均小于水和酒精的激光燒蝕。加之激波在粘性較大的液體中傳播，能量損失較大，導致了測得的壓力較小。

3 工質摻碳比對燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質量分數不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之增大。碳質量分數較大的甘油測得的波形較為扁平，而且激光能量增大，壓力增大的幅值也較小，如圖5～6所示。選取純甘油及其摻碳混合物燒蝕測得的推力峰值對比發現，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因為參碳之后對激光的吸收變為表面吸收，由此濺射變小，帶來的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產生的起始時間基本保持不變。說明激光能量、液體黏度、以及工質參雜不會改變液體工質燒蝕推力產生時間。

4 結論

本文對水、酒精、純甘油、含碳質量分數分別為1%和5%的甘油混合物進行了燒蝕力學性能測試。得到如下結論：

（1）對于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，測得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質得到了最大推力值為81.9 N，酒精為68.3 N。

（2）黏度較小的水和酒精燒蝕產生的力大于黏度較大的甘油，甘油燒蝕得到的最大推力值為35.6 N。但是，水和和酒精燒蝕發生液體濺射較多，對應的比沖會非常低。

（3）甘油含碳質量分數越大，得到的壓電信號越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實驗是大氣下測得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態工質與激光相互作用的物理、化學特性有待進一步探討。另外，對于其噴濺羽流的演化，以及和力學曲線的對比分析將是下一步工作。

參考文獻

[1] Yabe T.，Nakagawa R.， Yamaguchi M.，et al. Simulation and experiments on laser propulsion by water cannon target[C].First International Symposium on Beamed Energy Propulsion.America，2003：185-193.

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[4] T.Lippert，L.Urech， R.Fardel.Materials for Laser Propulsion：“Liquid” Polymers[C].High-Power Laser Ablation Ⅶ，Proc.Of SPIE.2008，7005：700512.

[5] 劉光啟，馬連湘.化工物性手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：542-586.endprint

當激光到達靶面之后，在激光到達靶面之后可以觀測到明亮的等離子體發光。激光燒蝕水和酒精，發生強烈的噴濺，甚至當激光能量較大時候，噴濺時間可以持續到毫秒量級。在聚焦透鏡上和鋁制平臺上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實驗過程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來保持光斑大小和液層厚度，使得實驗條件一致。激光與液態工質作用產生壓力通過鋁制平臺到壓電傳感器轉化電信號、經數據采集、示波器顯示得到壓電信號波形（見圖2～4）。

由所得的壓電信號圖3、圖4可知，對于激光燒蝕酒精、水、純甘油，在保持光斑大小不變的情況下，隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，因此測得的力也隨著增大。所有工質的推力峰值均出現在5.5 μs附近，對比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現在45 μs附近，其原因為Sinko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說明推力峰值時間與所使用激光器自身參數有關。其中，對于不同種類工質取測得推力最大值（此時激光能量平均為156 mJ）對比發現，工質黏度對推力大小影響較大。隨著工質黏度的增大，其推力峰值依次降低。對于純甘油，由于其黏度較大，工質蒸發、氣化、濺射帶來的力學效果均小于水和酒精的激光燒蝕。加之激波在粘性較大的液體中傳播，能量損失較大，導致了測得的壓力較小。

3 工質摻碳比對燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質量分數不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測得電壓信號均隨之增大。碳質量分數較大的甘油測得的波形較為扁平，而且激光能量增大，壓力增大的幅值也較小，如圖5～6所示。選取純甘油及其摻碳混合物燒蝕測得的推力峰值對比發現，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因為參碳之后對激光的吸收變為表面吸收，由此濺射變小，帶來的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產生的起始時間基本保持不變。說明激光能量、液體黏度、以及工質參雜不會改變液體工質燒蝕推力產生時間。

4 結論

本文對水、酒精、純甘油、含碳質量分數分別為1%和5%的甘油混合物進行了燒蝕力學性能測試。得到如下結論：

（1）對于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質作用變得強烈，測得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質得到了最大推力值為81.9 N，酒精為68.3 N。

（2）黏度較小的水和酒精燒蝕產生的力大于黏度較大的甘油，甘油燒蝕得到的最大推力值為35.6 N。但是，水和和酒精燒蝕發生液體濺射較多，對應的比沖會非常低。

（3）甘油含碳質量分數越大，得到的壓電信號越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實驗是大氣下測得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態工質與激光相互作用的物理、化學特性有待進一步探討。另外，對于其噴濺羽流的演化，以及和力學曲線的對比分析將是下一步工作。

參考文獻

[1] Yabe T.，Nakagawa R.， Yamaguchi M.，et al. Simulation and experiments on laser propulsion by water cannon target[C].First International Symposium on Beamed Energy Propulsion.America，2003：185-193.

[2] John Sinko，Lisa Kodgis， Simon Porter，et al.Ablation of liquids for laser propulsion with TEA CO2 Laser[C].Beamed energy Propulsion 4th International Symposium.Japan，2006：308-318.

[3] 崔村燕，洪延姬，文明，等.水燒蝕激光推進性能初步分析[J].推進技術.2010，31（2）：240-242.

[4] T.Lippert，L.Urech， R.Fardel.Materials for Laser Propulsion：“Liquid” Polymers[C].High-Power Laser Ablation Ⅶ，Proc.Of SPIE.2008，7005：700512.

[5] 劉光啟，馬連湘.化工物性手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：542-586.endprint