激光化學(xué)微推進(jìn)推力性能的實(shí)驗(yàn)研究

李龍，胡曉軍，唐志平

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代力學(xué)系，安徽 合肥230027)

0 引言

微推進(jìn)技術(shù)主要用于空間飛行器的軌道和姿態(tài)的精確調(diào)節(jié)和保持，對(duì)微小衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)、星座的編隊(duì)飛行，使空間超靜平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無拖曳控制。目前，空間微推進(jìn)領(lǐng)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(yīng)離子推力器、霍爾推力器、微機(jī)電系統(tǒng)(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(jìn)性能［1-9］相比具有沖量比特小、系統(tǒng)質(zhì)量輕、推力調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在空間微推進(jìn)領(lǐng)域中具有不可替代的地位。

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

Lippert 等［10］、Phipps 等［11］利用近紅外波長的二極管激光對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。疊氮類聚合物GAP 具有很好的推進(jìn)性能，添加碳粉的GAP 獲得了最高達(dá)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(xué)能得到了釋放，使得η 高于100%. 而同樣作為含能工質(zhì)的PVN 在這種激光條件下并沒能使其化學(xué)能得到充分釋放，從而得到的推進(jìn)性能并不佳。

蔡建［12］對(duì)有機(jī)玻璃(PMMA)、雙基藥、賽璐珞(CN)等工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)篩選，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):有機(jī)玻璃具有較高的比沖Isp，最高值達(dá)到1 543.7 s，但其沖量耦合系數(shù)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(zhì)的一種，Cm的最大值達(dá)到了18 dyne/W，Isp最高達(dá)到742.5 s;在對(duì)55 μm 和100 μm兩種厚度的雙基藥工質(zhì)推進(jìn)性能對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，55 μm厚的雙基藥的Cm和Isp都優(yōu)于100 μm 的。

一般，本身不含氧化劑的工質(zhì)在激光化學(xué)推進(jìn)中的能量釋放主要發(fā)生在激光作用后的高溫高壓氣團(tuán)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(zhì)在激光與工質(zhì)相互作用時(shí)就會(huì)釋放大量的化學(xué)能，這一能量的釋放過程是由工質(zhì)本身提供的，不需要外界提供氧氣。而激光化學(xué)微推進(jìn)的應(yīng)用幾乎都是處于真空環(huán)境，所以本文選用可釋放能量較高但又相對(duì)安全的雙基藥作為工質(zhì)，在工質(zhì)厚度方面進(jìn)行推進(jìn)性能優(yōu)化研究。由于雙基藥對(duì)近紅外波段的光并不吸收，需要添加紅外染料輔助工質(zhì)對(duì)激光的吸收，本文中選用直徑1.5 μm 的碳粉。

1 衡量推進(jìn)性能的主要參數(shù)

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

Cm為激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，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(zhì)燒蝕質(zhì)量;vE為噴射物質(zhì)的逃逸速度。

Isp為激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，推力器獲得的沖量和工質(zhì)在燒蝕中損失質(zhì)量的比，用來衡量工質(zhì)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(chǎn)生的總動(dòng)能與輸入激光能量的比［10］:

式中:mt為推力器質(zhì)量。

由于Δm?mt，則可得

2 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)由控制電路、激光器、聚焦鏡、工質(zhì)、扭擺測試裝置、導(dǎo)引示數(shù)系統(tǒng)和激光功率計(jì)等組成。

2.1 激光輸入能量E 的測量

由于實(shí)驗(yàn)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(jì)直接測得;激光脈寬t 由電路控制。

2.2 單脈沖燒蝕質(zhì)量Δm 的測量

由于每次單脈沖的燒蝕質(zhì)量很小，很難直接測得，實(shí)驗(yàn)中通過測得工質(zhì)密度ρ 和燒蝕體積V，由(6)式計(jì)算得到單脈沖燒蝕質(zhì)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(duì)比標(biāo)尺讀出孔洞面積S. 通過顯微鏡拍攝厚度剖面的照片，對(duì)比標(biāo)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(tǒng)，其測量原理如圖1 所示，激光經(jīng)聚焦鏡頭聚焦后穿過工質(zhì)的透明基底層到達(dá)工質(zhì)藥膜產(chǎn)生燒蝕，噴射物噴到扭擺的擋板上使扭擺偏轉(zhuǎn)，根據(jù)扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，可以得到扭擺獲得的沖量。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工質(zhì)片到擋板的距離控制在1 mm 以內(nèi)。這樣的測試裝置不僅可以對(duì)工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以對(duì)推力器的單脈沖沖量進(jìn)行測量，同時(shí)避免了多次移動(dòng)扭擺造成的導(dǎo)引示數(shù)誤差。

在微噴射作用以后，扭擺繞扭絲產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，由角動(dòng)量守恒、能量守恒方程和材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)可得

式中:I 為扭擺的轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)到扭絲的距離;θ 為扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 4種不同厚度雙基藥復(fù)合工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(激光功率0.93 W)

實(shí)驗(yàn)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(zhì)片在不同脈寬t作用下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 是25 μm 厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)在0.93 W 激光作用下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。0 ～2.0 ms 脈寬下的比沖和1.0 ～2.0 ms 脈寬下Cm都呈現(xiàn)出下降趨勢。實(shí)驗(yàn)中，0.8 ms時(shí)存在最大η 為83.44%，此時(shí)的Cm為28.1 dyne/W，Isp為606.0 s. 激光脈寬為2.0 ms 時(shí)，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(fù)合工質(zhì)在0.93 W 激光作用下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

30 μm 工質(zhì)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(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，在1.0 ms 脈寬作用時(shí)存在最大η 為63.22%，此時(shí)的Cm為34.6 dyne/W，Isp為373.0 s.激光脈寬為2.0 ms 時(shí)，η 最高只有7.6%，對(duì)應(yīng)的Cm為15.3 dyne/W，Isp為101.0 s.

35 μm 工質(zhì)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(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，在1.0 ms 脈寬作用時(shí)存在最大η 為61.67%，此時(shí)的Cm為40.6 dyne/W，Isp為310.0 s.激光脈寬為2.0 ms時(shí)，η 最高只有8.3%，對(duì)應(yīng)的Cm為18.4 dyne/W，Isp為91.6 s.

圖3 25 μm 厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)推進(jìn)性能Fig.3 Propulsion performance of 25 μm thick double-base propellant

40 μm 工質(zhì)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(jié)果。在1.0 ms脈寬作用時(shí)存在最大η 為46.2%，此時(shí)的Cm為48.7 dyne/W，Isp為194.0 s. 實(shí)驗(yàn)中，激光脈寬為2.0 ms 時(shí)，η 最高只有11.9%，對(duì)應(yīng)的Cm為39.0 dyne/W，Isp為62.5 s.

3.2 4種不同厚度雙基藥復(fù)合工質(zhì)的對(duì)比分析(激光功率0.93 W)

圖4 30 μm 厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)推進(jìn)性能Fig.4 Propulsion performance of 30 μm thick double-base propellant

將4 種厚度工質(zhì)在燒蝕閾值處的推進(jìn)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示，可見隨著工質(zhì)厚度的增加，工質(zhì)的Cm有漸增的趨勢，而Isp有漸減的趨勢。主要因?yàn)?，在這種功率密度下，工質(zhì)片越厚，對(duì)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(zhì)的作用形式分為兩部分:第一部分，工質(zhì)是靠激光直接燒蝕產(chǎn)生氣體;第二部分，工質(zhì)是靠燒蝕后的高溫高壓氣團(tuán)將其沖出去，這部分工質(zhì)的質(zhì)量利用率很低。比沖描述的是工質(zhì)的利用率，工質(zhì)片越厚，在同等激光作用下，第二部分的工質(zhì)所占的比重越大，所以比沖就越低。同時(shí)，由于工質(zhì)片越厚，噴射出的工質(zhì)會(huì)越多，使得沖量耦合系數(shù)會(huì)略高。

由圖7 可知，4 種工質(zhì)的η 都在50%附近，沒有出現(xiàn)超過100%的情況，沒能很明顯體現(xiàn)出其作為激光化學(xué)微推進(jìn)的優(yōu)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(fā)其化學(xué)能的釋放，為此針對(duì)25 μm 厚的工質(zhì)，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(fù)合工質(zhì)推進(jìn)性能Fig.5 Propulsion performance of 35 μm thick double-base propellant

3.3 25 μm厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)合工質(zhì)在1.80 W 激光作用下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。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(shí)間的增加而減小。實(shí)驗(yàn)中，在0.2 ms 脈寬作用時(shí)存在最大η 為316.4%，此時(shí)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(shí)，η都超過了100%，說明雙基藥的化學(xué)能得到了釋放，驗(yàn)證了前一小節(jié)的推測。

圖6 40 μm 厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)推進(jìn)性能Fig.6 Propulsion performance of 40 μm thick double-base propellant

4 化學(xué)能釋放對(duì)微推進(jìn)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(shí)驗(yàn)中25 μm 厚雙基藥復(fù)合工質(zhì)獲得最大激光能量利用率時(shí)的相關(guān)參數(shù)。

圖7 4 種厚度的雙基藥復(fù)合工質(zhì)推進(jìn)性能對(duì)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(shí)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(shí)化學(xué)能的釋放比0.93 W 時(shí)更加充分。

表1 兩種功率激光作用下的推進(jìn)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of two kinds of laser power

將本文中所選雙基藥復(fù)合工質(zhì)在功率為1.80 W的激光作用下的推進(jìn)性能與文獻(xiàn)［10，12］中報(bào)道的微推進(jìn)工質(zhì)的推進(jìn)性能對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同工質(zhì)推進(jìn)性能對(duì)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(zhì)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(xué)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(fù)合工質(zhì)在1.80 W激光作用下的推進(jìn)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(fù)合工質(zhì)和Lippert 等［10］所選的GAP 工質(zhì)在摻雜C 粉時(shí)的激光能量利用率都超過了300%，是普通工質(zhì)的6 倍以上，化學(xué)能的補(bǔ)充很明顯。這兩種含能工質(zhì)在摻雜相同紅外吸收劑時(shí)也是各有各的優(yōu)點(diǎn)，雙基藥工質(zhì)具有較高的Cm，而GAP 工質(zhì)具有較高的Isp，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。

5 結(jié)論

針對(duì)激光化學(xué)微推進(jìn)的特點(diǎn)，采用自研制微沖量擋板扭擺系統(tǒng)，對(duì)25 μm、30 μm、35 μm、40 μm 4 種厚度自研制的雙基藥復(fù)合工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。激光焦斑為50 μm，功率密度為4.74×104W/cm2. 發(fā)現(xiàn)隨著工質(zhì)厚度的增加，工質(zhì)的Cm有漸增的趨勢，而Isp有漸減的趨勢。得到了化學(xué)能釋放和激光功率密度的關(guān)系。利用功率為1.80 W 的半導(dǎo)體激光器，25 μm 厚的雙基藥復(fù)合工質(zhì)的Cm和Isp分別達(dá)到了130.8 dyne/W 和493.0 s，此時(shí)，名義上的η 高達(dá)316.4%，是無化學(xué)能釋放工質(zhì)的6 倍以上，化學(xué)能的貢獻(xiàn)非常明顯。實(shí)際應(yīng)用中，在追求較大推力時(shí)可選擇較厚的工質(zhì);在追求較高比沖時(shí)可選擇薄一些的工質(zhì)。

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