激光燒蝕液態(tài)工質(zhì)誘發(fā)推力特性實(shí)驗(yàn)研究

竇志國(guó)++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(duì)水、酒精、純甘油、含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和5%的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，燒蝕產(chǎn)生的壓電信號(hào)越大，其中黏度較小的水和酒精燒蝕產(chǎn)生的推力大于粘性較大的甘油，且對(duì)工質(zhì)浪費(fèi)比較嚴(yán)重。對(duì)于甘油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，得到的壓電信號(hào)越小，但是濺射會(huì)明顯減少。

關(guān)鍵詞：激光推進(jìn) 液體燒蝕 推力性能

中圖分類號(hào)：TN2，V43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)的工作過(guò)程可描述為激光脈沖，將能量傳送到工質(zhì)表面，作用導(dǎo)致工質(zhì)表面發(fā)生擊穿、融化、蒸發(fā)等現(xiàn)象，產(chǎn)生物質(zhì)噴射，誘導(dǎo)產(chǎn)生推力。選擇合適的推進(jìn)工質(zhì)是激光推進(jìn)技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。激光燒蝕液體能產(chǎn)生高達(dá)3500 N/MW的沖量耦合系數(shù)[1]，其次液態(tài)工質(zhì)便于存儲(chǔ)、供靶方式較為靈活，因此具有廣泛應(yīng)用前景。液體燒蝕推進(jìn)是由Yabe所倡導(dǎo)，激光輻照鋁靶上水膜，得到了3500 N/MW的沖量耦合系數(shù)。John Sinko等采用PCB壓電傳感器和ICCD高速相機(jī)等裝置對(duì)酒精等液體激光燒蝕力學(xué)性能做了研究，確定了液體大量飛濺對(duì)產(chǎn)生推力貢獻(xiàn)非常小，浪費(fèi)了大部分的工質(zhì)[2]。崔村燕等對(duì)水燒蝕激光推進(jìn)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)出現(xiàn)水燒蝕和水誘導(dǎo)的空氣擊穿[3]。Lippert等人使用YAG激光燒蝕了不同黏度的GAP，實(shí)驗(yàn)顯示，較高黏度的GAP表現(xiàn)出來(lái)優(yōu)異的推力性能 [4]。

該文根據(jù)黏度及液體表面張力不同選取了水、純甘油、酒精進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)。粘性工質(zhì)兼顧了液體與固體燒蝕的優(yōu)點(diǎn)，但尚未對(duì)其摻雜之后誘發(fā)推力特性進(jìn)行燒蝕研究。因此本文還對(duì)純甘油、含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和%5的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由YAG激光器、DG535信號(hào)發(fā)生器、PCB傳感器等組成。其中，YAG激光器輸出激光波長(zhǎng)為1046 nm，脈寬10 ns，單脈沖最大能量350 mJ。實(shí)驗(yàn)中使用20%分光鏡將部分能量傳輸?shù)侥芰坑?jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)激光能量。力學(xué)測(cè)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(cè)試范圍為0.045～2224 N。傳感器和液體承載裝置固連，并事先預(yù)緊、標(biāo)定。信號(hào)調(diào)理器的作用是為傳感器提供電源、設(shè)置測(cè)試參數(shù)及工作模式等。DG535延遲/脈沖發(fā)生器，可以為整個(gè)實(shí)驗(yàn)提供時(shí)序，控制激光器觸發(fā)出光，還用來(lái)調(diào)整Q開(kāi)關(guān)延遲來(lái)控制激光能量。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)對(duì)常溫下酒精、水、純甘油（其物理性質(zhì)如表1所示）以及含碳比為1%和5%的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕研究。YAG激光經(jīng)過(guò)平面鏡反射，通過(guò)聚焦透鏡聚焦在液面之上。燒蝕導(dǎo)致工質(zhì)噴濺，誘發(fā)推力產(chǎn)生。其中，液體承載在鋁制平臺(tái)中央的圓型坑狀約束中，PCB傳感器使用配套的螺栓與鋁臺(tái)下螺紋孔連接。傳感器接好信號(hào)調(diào)理器連接到示波器。讀出裝置示波器內(nèi)部集成了100 Msps的數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)時(shí)對(duì)燒蝕誘導(dǎo)推力進(jìn)行測(cè)量并顯示曲線。

2 不同工質(zhì)燒蝕特性分析

對(duì)酒精、水和純甘油以及含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和5%的甘油使用不同能量激光燒蝕。激光能量的調(diào)節(jié)采用激光器的電壓從低到高調(diào)節(jié)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以上。使用能量計(jì)測(cè)算出每一次出光到達(dá)靶面的激光能量，剔除偶然因素。壓力模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集傳送到示波器，得到電壓-時(shí)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(chǎn)生推力效果。endprint

當(dāng)激光到達(dá)靶面之后，在激光到達(dá)靶面之后可以觀測(cè)到明亮的等離子體發(fā)光。激光燒蝕水和酒精，發(fā)生強(qiáng)烈的噴濺，甚至當(dāng)激光能量較大時(shí)候，噴濺時(shí)間可以持續(xù)到毫秒量級(jí)。在聚焦透鏡上和鋁制平臺(tái)上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來(lái)保持光斑大小和液層厚度，使得實(shí)驗(yàn)條件一致。激光與液態(tài)工質(zhì)作用產(chǎn)生壓力通過(guò)鋁制平臺(tái)到壓電傳感器轉(zhuǎn)化電信號(hào)、經(jīng)數(shù)據(jù)采集、示波器顯示得到壓電信號(hào)波形（見(jiàn)圖2～4）。

由所得的壓電信號(hào)圖3、圖4可知，對(duì)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(cè)得電壓信號(hào)均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，因此測(cè)得的力也隨著增大。所有工質(zhì)的推力峰值均出現(xiàn)在5.5 μs附近，對(duì)比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現(xiàn)在45 μs附近，其原因?yàn)镾inko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說(shuō)明推力峰值時(shí)間與所使用激光器自身參數(shù)有關(guān)。其中，對(duì)于不同種類工質(zhì)取測(cè)得推力最大值（此時(shí)激光能量平均為156 mJ）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)黏度對(duì)推力大小影響較大。隨著工質(zhì)黏度的增大，其推力峰值依次降低。對(duì)于純甘油，由于其黏度較大，工質(zhì)蒸發(fā)、氣化、濺射帶來(lái)的力學(xué)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(dǎo)致了測(cè)得的壓力較小。

3 工質(zhì)摻碳比對(duì)燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測(cè)得電壓信號(hào)均隨之增大。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的甘油測(cè)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(cè)得的推力峰值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因?yàn)閰⑻贾髮?duì)激光的吸收變?yōu)楸砻嫖?，由此濺射變小，帶來(lái)的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產(chǎn)生的起始時(shí)間基本保持不變。說(shuō)明激光能量、液體黏度、以及工質(zhì)參雜不會(huì)改變液體工質(zhì)燒蝕推力產(chǎn)生時(shí)間。

4 結(jié)論

本文對(duì)水、酒精、純甘油、含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和5%的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕力學(xué)性能測(cè)試。得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，測(cè)得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質(zhì)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(chǎn)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(fā)生液體濺射較多，對(duì)應(yīng)的比沖會(huì)非常低。

（3）甘油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，得到的壓電信號(hào)越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實(shí)驗(yàn)是大氣下測(cè)得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態(tài)工質(zhì)與激光相互作用的物理、化學(xué)特性有待進(jìn)一步探討。另外，對(duì)于其噴濺羽流的演化，以及和力學(xué)曲線的對(duì)比分析將是下一步工作。

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)性能初步分析[J].推進(jìn)技術(shù).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(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：542-586.endprint

當(dāng)激光到達(dá)靶面之后，在激光到達(dá)靶面之后可以觀測(cè)到明亮的等離子體發(fā)光。激光燒蝕水和酒精，發(fā)生強(qiáng)烈的噴濺，甚至當(dāng)激光能量較大時(shí)候，噴濺時(shí)間可以持續(xù)到毫秒量級(jí)。在聚焦透鏡上和鋁制平臺(tái)上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來(lái)保持光斑大小和液層厚度，使得實(shí)驗(yàn)條件一致。激光與液態(tài)工質(zhì)作用產(chǎn)生壓力通過(guò)鋁制平臺(tái)到壓電傳感器轉(zhuǎn)化電信號(hào)、經(jīng)數(shù)據(jù)采集、示波器顯示得到壓電信號(hào)波形（見(jiàn)圖2～4）。

由所得的壓電信號(hào)圖3、圖4可知，對(duì)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(cè)得電壓信號(hào)均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，因此測(cè)得的力也隨著增大。所有工質(zhì)的推力峰值均出現(xiàn)在5.5 μs附近，對(duì)比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現(xiàn)在45 μs附近，其原因?yàn)镾inko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說(shuō)明推力峰值時(shí)間與所使用激光器自身參數(shù)有關(guān)。其中，對(duì)于不同種類工質(zhì)取測(cè)得推力最大值（此時(shí)激光能量平均為156 mJ）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)黏度對(duì)推力大小影響較大。隨著工質(zhì)黏度的增大，其推力峰值依次降低。對(duì)于純甘油，由于其黏度較大，工質(zhì)蒸發(fā)、氣化、濺射帶來(lái)的力學(xué)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(dǎo)致了測(cè)得的壓力較小。

3 工質(zhì)摻碳比對(duì)燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測(cè)得電壓信號(hào)均隨之增大。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的甘油測(cè)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(cè)得的推力峰值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因?yàn)閰⑻贾髮?duì)激光的吸收變?yōu)楸砻嫖眨纱藶R射變小，帶來(lái)的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產(chǎn)生的起始時(shí)間基本保持不變。說(shuō)明激光能量、液體黏度、以及工質(zhì)參雜不會(huì)改變液體工質(zhì)燒蝕推力產(chǎn)生時(shí)間。

4 結(jié)論

本文對(duì)水、酒精、純甘油、含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和5%的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕力學(xué)性能測(cè)試。得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，測(cè)得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質(zhì)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(chǎn)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(fā)生液體濺射較多，對(duì)應(yīng)的比沖會(huì)非常低。

（3）甘油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，得到的壓電信號(hào)越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實(shí)驗(yàn)是大氣下測(cè)得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態(tài)工質(zhì)與激光相互作用的物理、化學(xué)特性有待進(jìn)一步探討。另外，對(duì)于其噴濺羽流的演化，以及和力學(xué)曲線的對(duì)比分析將是下一步工作。

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)性能初步分析[J].推進(jìn)技術(shù).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(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：542-586.endprint

當(dāng)激光到達(dá)靶面之后，在激光到達(dá)靶面之后可以觀測(cè)到明亮的等離子體發(fā)光。激光燒蝕水和酒精，發(fā)生強(qiáng)烈的噴濺，甚至當(dāng)激光能量較大時(shí)候，噴濺時(shí)間可以持續(xù)到毫秒量級(jí)。在聚焦透鏡上和鋁制平臺(tái)上可以看到大小不一分布不均勻的液滴。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次激光作用完畢之后都需重新注入水和酒精，來(lái)保持光斑大小和液層厚度，使得實(shí)驗(yàn)條件一致。激光與液態(tài)工質(zhì)作用產(chǎn)生壓力通過(guò)鋁制平臺(tái)到壓電傳感器轉(zhuǎn)化電信號(hào)、經(jīng)數(shù)據(jù)采集、示波器顯示得到壓電信號(hào)波形（見(jiàn)圖2～4）。

由所得的壓電信號(hào)圖3、圖4可知，對(duì)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(cè)得電壓信號(hào)均隨之而增大。隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，因此測(cè)得的力也隨著增大。所有工質(zhì)的推力峰值均出現(xiàn)在5.5 μs附近，對(duì)比Sinko燒蝕液體中推力峰值出現(xiàn)在45 μs附近，其原因?yàn)镾inko使用的CO2激光脈寬為300 ns，而本文中激光脈寬為10 ns。說(shuō)明推力峰值時(shí)間與所使用激光器自身參數(shù)有關(guān)。其中，對(duì)于不同種類工質(zhì)取測(cè)得推力最大值（此時(shí)激光能量平均為156 mJ）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)黏度對(duì)推力大小影響較大。隨著工質(zhì)黏度的增大，其推力峰值依次降低。對(duì)于純甘油，由于其黏度較大，工質(zhì)蒸發(fā)、氣化、濺射帶來(lái)的力學(xué)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(dǎo)致了測(cè)得的壓力較小。

3 工質(zhì)摻碳比對(duì)燒蝕效果影響

激光燒蝕含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的甘油。隨著激光能量增加，由傳感器測(cè)得電壓信號(hào)均隨之增大。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的甘油測(cè)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(cè)得的推力峰值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著含碳比的增大，推力峰值降低，如圖7所示。原因?yàn)閰⑻贾髮?duì)激光的吸收變?yōu)楸砻嫖眨纱藶R射變小，帶來(lái)的推力效果也隨之變小。以上得到的推力曲線力產(chǎn)生的起始時(shí)間基本保持不變。說(shuō)明激光能量、液體黏度、以及工質(zhì)參雜不會(huì)改變液體工質(zhì)燒蝕推力產(chǎn)生時(shí)間。

4 結(jié)論

本文對(duì)水、酒精、純甘油、含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和5%的甘油混合物進(jìn)行了燒蝕力學(xué)性能測(cè)試。得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于水、酒精、純甘油等，隨著激光能量增大，激光與物質(zhì)作用變得強(qiáng)烈，測(cè)得的力也隨著增大。其中，燒蝕水工質(zhì)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(chǎn)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(fā)生液體濺射較多，對(duì)應(yīng)的比沖會(huì)非常低。

（3）甘油含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，得到的壓電信號(hào)越小。含碳5%的甘油燒蝕推力最大值僅為10.3 N。實(shí)驗(yàn)是大氣下測(cè)得的壓力，忽略了激光與空氣作用的效果，真空下液態(tài)工質(zhì)與激光相互作用的物理、化學(xué)特性有待進(jìn)一步探討。另外，對(duì)于其噴濺羽流的演化，以及和力學(xué)曲線的對(duì)比分析將是下一步工作。

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)性能初步分析[J].推進(jìn)技術(shù).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(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：542-586.endprint