摻雜紅外染料聚疊氮縮水甘油醚工質(zhì)激光燒蝕推進(jìn)性能優(yōu)化探索?

羅樂樂 竇志國2) 葉繼飛

1)(航天工程大學(xué),激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 101416)

2)(航天工程大學(xué)基礎(chǔ)部,北京 101416)

1 引 言

對(duì)激光燒蝕微推力器而言,靶材的設(shè)計(jì)[1?4]至關(guān)重要,靶材推進(jìn)性能的優(yōu)劣直接影響微推力器是否能夠勝任航天飛行任務(wù).對(duì)于靶材的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是目前相關(guān)研究領(lǐng)域重點(diǎn)探索的內(nèi)容.聚合物靶材具有價(jià)格便宜、可加工性好、沖量耦合系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn),相對(duì)于其他燒蝕工質(zhì)[5?8],更受青睞.

2003年,Lippert協(xié)助Phipps團(tuán)隊(duì)研制微推力器靶材的過程中,發(fā)現(xiàn)含有光感基團(tuán)的聚合物材料TP[9]具有優(yōu)于普通聚合物的推進(jìn)性能.受此啟發(fā),隨后該團(tuán)隊(duì)選用了含氮化學(xué)鍵的聚合物聚疊氮縮水甘油醚(GAP)和聚乙烯醇硝酸酯(PVN)作為燒蝕靶材.在推進(jìn)性能測(cè)量中,摻雜1%紅外染料的GAP最高取得了高達(dá)200%的燒蝕效率[10].此后國內(nèi)外研究者對(duì)含能聚合物展開了大量的實(shí)驗(yàn)研究.Lippert等[11,12]對(duì)反射式下?lián)诫s紅外染料的GAP進(jìn)行了光譜分析、質(zhì)譜分析、羽流觀測(cè)和電鏡觀測(cè),結(jié)果表明摻雜紅外染料之后,GAP對(duì)入射激光能量密度的敏感性增強(qiáng),激光能量密度越高,噴射產(chǎn)物中含高電子伏能量的C+濃度越高,且噴射產(chǎn)物的氣化程度顯著提高.但文獻(xiàn)中未分析除激光能量密度外其他參數(shù)對(duì)推進(jìn)性能的影響,無法為靶材的優(yōu)化設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)意見.國內(nèi)的研究者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的蔡建、航天工程大學(xué)的陳庚等都對(duì)含能材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.蔡建[13]對(duì)比了雙基藥和非含能材料的推進(jìn)性能,陳庚等[14]主要對(duì)大氣環(huán)境下?lián)诫s紅外染料的GAP噴射羽流進(jìn)行了分析.總體而言,對(duì)于摻雜紅外染料GAP工質(zhì)激光燒蝕推進(jìn)性能優(yōu)化的研究較少.

聚合物GAP[15]本身為淡黃色的黏稠狀液體,對(duì)激光能量的吸收率非常低.單純將GAP作為燒蝕靶材無法吸收足夠的激光能量,工質(zhì)中的化學(xué)能難以充分地釋放出來.當(dāng)選用紅外激光作為能量注入源時(shí),可選用紅外染料吸收劑來增加激光能量在聚合物中的沉積.

對(duì)激光燒蝕推進(jìn)而言,隨著環(huán)境氣壓的降低,爆轟推進(jìn)比重降低,真空燒蝕推進(jìn)占比增加[16,17],真空環(huán)境下的推進(jìn)性能顯著低于大氣環(huán)境下.激光燒蝕微推力器運(yùn)行的高低軌道均處于真空環(huán)境,實(shí)驗(yàn)采用真空艙近似模擬微推力器所處的真空氣壓環(huán)境.考慮到液態(tài)GAP工質(zhì)在燒蝕過程中的“濺射”現(xiàn)象[18]和低氣壓下混合揮發(fā)性溶劑之后液態(tài)工質(zhì)的“沸騰”效應(yīng)[19],在液態(tài)GAP中加入交聯(lián)劑異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI),制備成固體GAP靶材.

受國內(nèi)外已發(fā)表成果的啟發(fā),實(shí)驗(yàn)以激光功率密度、吸收劑摻雜濃度、靶材厚度和激光燒蝕模式作為變量,通過對(duì)比不同工況的推進(jìn)性能和燒蝕羽流,探索摻雜紅外染料GAP發(fā)揮最優(yōu)性能所需的條件,尋找激光燒蝕微推力器聚合物靶材的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

2 研究方法

根據(jù)研究需要設(shè)計(jì)真空環(huán)境下的推進(jìn)性能測(cè)量系統(tǒng)和羽流觀測(cè)系統(tǒng),真空艙氣壓均設(shè)定為40 Pa.選用波長為1064 nm,脈寬為8 ns的Nd:YAG激光器作為能量注入源,激光器設(shè)定為單脈沖輸出.

2.1 推進(jìn)性能參數(shù)測(cè)量

推進(jìn)性能測(cè)量系統(tǒng)由微沖量扭擺測(cè)量裝置、脈沖激光能量測(cè)量裝置和燒蝕質(zhì)量測(cè)量裝置組成.微沖量測(cè)量裝置如圖1所示.

圖1 微沖量扭擺測(cè)量裝置Fig.1.Micro impulse torsion pendulum measuring device.

聚焦后的脈沖激光與固定在扭擺一端的靶材相互作用,靶材吸收激光能量之后迅速加熱、熔融、氣化和電離,產(chǎn)生物質(zhì)噴射,反作用于靶面,使扭擺在水平面內(nèi)產(chǎn)生角度偏移,連接扭擺橫梁和基座的樞軸為橫梁提供回復(fù)力,使橫梁做二階有阻尼自由振動(dòng).位于扭擺另一端的位移傳感器探頭采集扭擺的擺動(dòng)數(shù)據(jù);通過對(duì)擺動(dòng)數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出激光燒蝕靶材產(chǎn)生的沖量;脈沖激光能量通過能量計(jì)多次測(cè)量進(jìn)行平均;單脈沖燒蝕質(zhì)量通過光學(xué)顯微鏡得到的上下表面半徑和測(cè)厚儀測(cè)量的靶材厚度計(jì)算.由上述測(cè)量的沖量、單脈沖激光能量和燒蝕質(zhì)量,求解出描述激光燒蝕微推力器性能的沖量耦合系數(shù)、比沖和燒蝕效率[20].

上述三個(gè)性能參數(shù)的表達(dá)式如下:

其中I為脈沖激光與靶材作用產(chǎn)生的沖量;W為單脈沖激光能量;?m為燒蝕質(zhì)量;g0為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?WE為噴射粒子動(dòng)能;ˉνz為噴射粒子在垂直靶面方向上的平均速度;沖量耦合系數(shù)Cm定義為單位能量脈沖激光燒蝕靶材產(chǎn)生的沖量大小,反映微推力器對(duì)激光能量的吸收效率;比沖Isp為燒蝕單位質(zhì)量靶材產(chǎn)生的沖量,用于描述微推力器對(duì)靶材的利用效率;燒蝕效率ηAB為噴射粒子動(dòng)能與入射激光能量的比值.由(3)式可知,要計(jì)算燒蝕效率,需要知道ˉνz,而噴射粒子的速度不一樣,通過平均速度計(jì)算燒蝕效率不僅難度大而且測(cè)量精度不高,所以一般通過沖量耦合系數(shù)和比沖間接求解.從該公式可以看出燒蝕效率與沖量耦合系數(shù)和比沖呈正相關(guān),燒蝕效率可綜合衡量激光燒蝕微推力器對(duì)激光能量和靶材的利用效率.

2.2 噴射羽流觀測(cè)

羽流觀測(cè)系統(tǒng)主要由激光器、高速相機(jī)、信號(hào)發(fā)生器和透鏡組構(gòu)成,如圖2所示.激光器輸出的脈沖激光經(jīng)過反射鏡的折轉(zhuǎn)、光闌的約束和凸透鏡的聚焦后,與固定在電位移臺(tái)上的靶材相互作用,高速相機(jī)聚焦在靶材的燒蝕區(qū)域,鎢燈光源從真空艙的另一端為相機(jī)提供背景光.激光器和高速相機(jī)的協(xié)同開啟時(shí)間通過信號(hào)發(fā)生器DG645控制.

圖2 羽流觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2.Plume observation system.

2.3 靶材制備

選用EPOLIN公司研發(fā)的Epolight 2057型紅外染料作為GAP工質(zhì)的激光吸收劑,在丙酮中的吸收光譜如圖3所示.

為了獲得摻雜不同濃度紅外染料的固體GAP靶材,首先將加入交聯(lián)劑固化的GAP工質(zhì)放入有機(jī)溶劑四氫呋喃中充分地溶解.根據(jù)交聯(lián)劑和GAP工質(zhì)的總質(zhì)量,加入不同質(zhì)量的紅外染料,制備成含不同濃度紅外染料的混合溶液.采用刮涂法在透明玻璃基底上涂覆混合溶液,如圖4所示,待混合溶液中的四氫呋喃溶劑揮發(fā),獲得摻雜1%,3%,5%和7%紅外染料的固體GAP靶材.固體GAP靶材的密度約為1.6 g·cm?3.

圖3 Epolight 2057型紅外染料在丙酮中的吸收光譜Fig.3.Absorption spectrum of Epolight 2057 in acetone.

圖4 刮涂法示意圖Fig.4.Diagram of scratching method.

采用不同厚度的刮刀進(jìn)行多次刮涂,可獲得不同厚度的靶材.固化GAP靶材的厚度通過測(cè)厚儀測(cè)量刮涂后靶材的厚度和玻璃基底厚度的差值解得.由于受到放置玻璃基底的模具凹槽深度精度限制和干燥過程中溶液流動(dòng)的影響,無法精確控制干燥后GAP靶材的厚度.所以摻雜不同濃度紅外染料的GAP靶材的厚度存在一定偏差.

3 結(jié)果與討論

GAP本身對(duì)激光的吸收率非常低,摻雜紅外染料吸收劑是激發(fā)GAP工質(zhì)含能優(yōu)勢(shì)的有力手段.相繼改變變量紅外染料摻雜濃度、靶材厚度和激光燒蝕模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),為了探索摻雜紅外染料GAP發(fā)揮最優(yōu)性能所需的條件,后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展均建立在前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之上.

3.1 摻雜濃度對(duì)推進(jìn)性能的影響

選擇1%,3%,5%和7%的紅外染料摻雜濃度,在透射式激光燒蝕模式下進(jìn)行推進(jìn)性能測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5中的推進(jìn)性能數(shù)據(jù)表明,紅外染料的摻雜濃度對(duì)GAP工質(zhì)推進(jìn)性能的影響非常大,當(dāng)摻雜濃度為1%時(shí),靶材吸收的激光能量非常少,沖量耦合系數(shù)遠(yuǎn)低于其他摻雜濃度,且工質(zhì)的利用率較低,測(cè)量的最大比沖僅為200 s左右.計(jì)算的不同激光功率密度下的燒蝕效率均在20%以下,只有少量的激光能量轉(zhuǎn)化為噴射粒子的動(dòng)能.紅外染料吸收劑的摻雜濃度并非越高越好,當(dāng)聚合物靶材的厚度一定、紅外染料的摻雜濃度超過3%時(shí),隨著摻雜濃度的繼續(xù)增加,GAP工質(zhì)的激光燒蝕推進(jìn)性能不再顯著地增長,呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì),在5%摻雜濃度附近取得最優(yōu)推進(jìn)性能.

圖5 不同摻雜濃度下的推進(jìn)性能數(shù)據(jù) (a)沖量耦合系數(shù);(b)比沖;(c)燒蝕效率Fig.5.Propulsion performance data under different doping concentrations:(a)Momentum coupling coefficient;(b)specific impulse;(c)ablation efficiency.

從圖5(c)可以看到,在較寬的激光功率范圍之內(nèi),摻雜3%—7%濃度紅外染料的GAP工質(zhì)的燒蝕效率均超過了100%.對(duì)非含能工質(zhì)而言,100%的燒蝕效率意味著入射脈沖激光的能量全部轉(zhuǎn)化為噴射粒子的動(dòng)能,但在實(shí)際激光燒蝕過程中不可避免地存在激光能量以透射、散射和熱傳導(dǎo)等方式耗散,即非含能工質(zhì)的燒蝕效率通常低于100%.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的GAP工質(zhì)燒蝕效率超過100%,說明在激光燒蝕過程中,除了脈沖激光作為能量源,GAP含能工質(zhì)中釋放的化學(xué)能參與了推力形成過程.

為了增加數(shù)據(jù)的可信度,上述的推進(jìn)性能數(shù)據(jù)中均給出了相應(yīng)的計(jì)算誤差,從(1)—(3)式可以看出,沖量耦合系數(shù)、比沖和燒蝕效率這些描述微推力器推進(jìn)性能的參數(shù)并不能直接測(cè)量,需要通過單脈沖激光燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生的沖量、脈沖激光能量和燒蝕質(zhì)量間接求解.考慮到外界環(huán)境噪聲和電容位移傳感器精度的影響,沖量測(cè)量誤差取8.2×10?8N·s,沖量測(cè)量方法參照文獻(xiàn)[21];脈沖激光能量的測(cè)量誤差取十次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差;質(zhì)量的測(cè)量誤差主要來源于燒蝕坑上下表面半徑測(cè)量,受熱傳導(dǎo)影響,表面輪廓難以精確界定,人為地設(shè)定半徑測(cè)量誤差為20μm.推進(jìn)性能參數(shù)的計(jì)算誤差通過對(duì)以上三個(gè)測(cè)量參量全微分求解.

圖5的測(cè)量結(jié)果中,隨著紅外染料摻雜濃度的增加,GAP工質(zhì)的推進(jìn)性能呈現(xiàn)出明顯的先增后減趨勢(shì),摻雜5%紅外染料在134μm厚度左右表現(xiàn)最優(yōu),燒蝕效率最優(yōu)值接近200%,滿足激光燒蝕微推力器對(duì)工質(zhì)推進(jìn)性能的要求,但無法由推進(jìn)性能數(shù)據(jù)直接獲悉其中的原因.為了進(jìn)一步探索該工況下的GAP是否適合作為激光燒蝕微推力器的燒蝕靶材,分析紅外染料摻雜濃度影響GAP推進(jìn)性能的原因,選擇較優(yōu)推進(jìn)性能對(duì)應(yīng)的激光功率密度3.2×109W·cm?2附近進(jìn)行燒蝕羽流觀測(cè).其中,羽流圖像的視場(chǎng)尺寸為3.34 mm×7.80 mm,輻照在工質(zhì)表面的激光光斑直徑約為2 mm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6為透射式激光燒蝕模式下?lián)诫s不同濃度紅外染料GAP的噴射羽流隨時(shí)間的演化圖像,圖像下對(duì)應(yīng)激光作用后的拍攝時(shí)刻,其中曝光時(shí)間為1μs.在圖的左上角標(biāo)注了相應(yīng)羽流圖像的摻雜濃度、靶材厚度、沖量耦合系數(shù)、比沖和燒蝕效率.圖6中摻雜不同濃度紅外染料下的GAP噴射羽流中均可見未完全燒蝕的工質(zhì)噴出,這些液體或固態(tài)的工質(zhì)不僅降低了激光燒蝕微推力器工質(zhì)的利用效率,也會(huì)對(duì)其他在軌航天器以及空間環(huán)境帶來不利影響.

分析噴射羽流燒蝕不充分的原因,激光能量在介質(zhì)中的傳播以(4)式的形式呈指數(shù)衰減,

其中I(0)為入射激光的初始能量,α為聚合物對(duì)激光的線性吸收系數(shù),z為激光在聚合物中的入射深度.紅外染料具有提高聚合物激光吸收率的作用,摻雜濃度越高,吸收系數(shù)α越大,激光能量在聚合物中的衰減越快.

靶材的厚度一定,當(dāng)紅外染料的摻雜濃度僅為1%時(shí),在聚合物中衰減的激光能量較少,除了沉積在聚合物中的激光能量,還有較多的能量以透射的形式被耗散,此時(shí)沉積的激光能量不足以使聚合物充分地?zé)g分解.而當(dāng)摻雜濃度過高時(shí),聚合物靶材的激光吸收率增大,吸收深度[22]大幅降低,GAP工質(zhì)雖然能夠充分地吸收激光能量,但吸收率增大使得激光在聚合物中傳播距離縮短,外層的工質(zhì)無法吸收到足夠的激光能量燒蝕分解,在噴射羽流中以液態(tài)和固態(tài)形式噴出.要保證激光輻照區(qū)域的工質(zhì)能夠充分地?zé)g分解,需要摻雜紅外染料的GAP不僅能夠充分地吸收激光能量以釋放工質(zhì)中的化學(xué)能,同時(shí)工質(zhì)不可過厚,以確保外層的工質(zhì)也能夠吸收足夠的激光能量.

圖6 不同摻雜濃度下的噴射羽流Fig.6.Plume at different doping concentrations.

3.2 靶材厚度對(duì)推進(jìn)性能的影響

在采集的噴射羽流圖像(圖6)中,不同濃度紅外染料摻雜下的GAP的噴射羽流均含有較多的未充分燒蝕的工質(zhì),這并不是理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析表明只有合理搭配紅外染料摻雜濃度和靶材厚度才能充分發(fā)揮含能聚合物的優(yōu)勢(shì).

為了進(jìn)一步挖掘摻雜紅外染料對(duì)GAP推進(jìn)性能的提升幅度.選擇推進(jìn)性能較優(yōu)的5%紅外染料摻雜濃度,對(duì)不同厚度下GAP的推進(jìn)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,研究靶材厚度對(duì)推進(jìn)性能的影響.

圖7給出了五種靶材厚度下的推進(jìn)性能對(duì)比數(shù)據(jù),隨著靶材厚度的增加,推進(jìn)性能整體表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì),在厚度134μm附近取得最優(yōu)值,這與圖6羽流圖像中分析的規(guī)律符合得很好.摻雜5%濃度紅外染料的GAP工質(zhì),對(duì)激光的吸收深度一定.當(dāng)工質(zhì)的厚度較低時(shí),大量的激光以透射形式耗散,工質(zhì)燒蝕分解不充分,在推進(jìn)性能數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為低沖量耦合系數(shù)和比沖,如26和55μm厚度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).而當(dāng)靶材過厚時(shí),未充分燒蝕的外層工質(zhì)對(duì)中心燒蝕區(qū)的膨脹形成約束并以低速噴射,使羽流的整體噴射速度降低,在推進(jìn)性能參數(shù)方面表現(xiàn)為比沖明顯降低,如圖7(b)中194μm厚度的數(shù)據(jù).摻雜5%紅外染料的GAP在134μm附近取得最優(yōu)值,表明該厚度下在激光能量和工質(zhì)利用率之間取得了一個(gè)較好的平衡,既使得絕大部分的激光能量沉積在聚合物中促進(jìn)化學(xué)能釋放,又不至于存在過量未充分燒蝕的外層工質(zhì)以液態(tài)或固態(tài)產(chǎn)物的形式噴出.

圖7 不同厚度下?lián)诫s5%紅外染料GAP的推進(jìn)性能(a)沖量耦合系數(shù);(b)比沖;(c)燒蝕效率Fig.7.Propulsion performance data of GAP doped with 5%infrared dyes contents under different target thicknesses:(a)Momentum coupling coefficient;(b)specific impulse;(c)ablation efficiency.

上述的結(jié)果中,摻雜5%紅外染料的GAP在134μm厚度附近取得最優(yōu)值,根據(jù)上面的分析,不同摻雜濃度下,聚合物的激光深度不一樣,摻雜高濃度的GAP將在更薄的厚度下取得優(yōu)解,為了驗(yàn)證上述結(jié)論,對(duì)比摻雜7%紅外染料的GAP的推進(jìn)性能結(jié)果,如圖8所示.

圖8 不同厚度下?lián)诫s7%紅外染料GAP的推進(jìn)性能(a)沖量耦合系數(shù);(b)比沖;(c)燒蝕效率Fig.8.Propulsion performance data of GAP doped with 7%infrared dyes contents under different target thicknesses:(a)Momentum coupling coefficient;(b)specific impulse;(c)ablation efficiency.

摻雜7%紅外染料的GAP工質(zhì)在74μm厚度附近取得最優(yōu)值,低于摻雜5%紅外染料GAP最優(yōu)性能對(duì)應(yīng)的靶材厚度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述分析符合得很好.

在摻雜不同濃度的紅外染料GAP的噴射羽流中,均能夠看到大量未燒蝕的工質(zhì)噴射出去,分析認(rèn)為只有搭配合適的靶材厚度和摻雜濃度才能確保靶材充分地?zé)g.為了驗(yàn)證上面的結(jié)論,選擇摻雜7%濃度紅外染料的GAP,在3.2×109W·cm?2激光功率密度下進(jìn)行噴射羽流的對(duì)比,如圖9所示.

在圖9采集的不同厚度下的羽流圖像中,均能看到液態(tài)或者固態(tài)形式的GAP工質(zhì)噴射出去,未拍攝到完全燒蝕分解的噴射羽流,但噴射羽流隨厚度的變化規(guī)律仍與上述的分析符合.隨著厚度的增加,可以看出噴射羽流從氣化主導(dǎo)、燒蝕程度提升向未燒蝕外層工質(zhì)增加變化的趨勢(shì).在圖8的推進(jìn)性能數(shù)據(jù)中,摻雜7%濃度紅外染料的GAP在74μm厚度附近取得最優(yōu)解.當(dāng)工質(zhì)低于最優(yōu)厚度時(shí),如圖9中59μm厚度下的燒蝕羽流,可見中心燒蝕區(qū)的工質(zhì)主要以直徑較大的霧狀顆粒形式噴出,表明工質(zhì)未能吸收足夠的激光能量達(dá)到分解和離化的溫度要求,聚合物中化學(xué)能未釋放.當(dāng)工質(zhì)的厚度增加至最優(yōu)厚度附近,如82μm厚度下的噴射羽流,從中心燒蝕區(qū)噴出的氣化物減少,GAP的分解和離化程度明顯增加,且只有少量未燒蝕的外層工質(zhì)脫落.隨著厚度繼續(xù)增加,無法吸收足夠激光能量的外層工質(zhì)增加,如155μm厚度下的噴射羽流較108μm厚度可見更為清楚的外層輪廓.

在不同紅外染料摻雜濃度和不同靶材厚度下的燒蝕羽流演化圖像中,均能看到燒蝕坑周圍靶面形貌的改變,并且隨著靶材厚度的增加,這種現(xiàn)象更加明顯.分析認(rèn)為這是摻雜紅外染料GAP的強(qiáng)黏性力和外層靶材約束力的綜合效果.在透射式激光燒蝕模式下,靠近透明基底的工質(zhì)先吸收能量,形成中心燒蝕區(qū),如圖10所示.隨著激光能量的持續(xù)注入和工質(zhì)中化學(xué)能的釋放,中心燒蝕區(qū)的溫度和壓力升高,不斷膨脹.而在這個(gè)過程中,由于激光能量沿傳播方向的衰減,外層的工質(zhì)未能吸收足夠的激光能量而燒蝕,對(duì)燒蝕區(qū)形成約束力.當(dāng)中心燒蝕區(qū)的壓力足夠突破外層約束時(shí)形成沖擊波,緊接著產(chǎn)生羽流噴射.而提供約束力的外層工質(zhì)并不能全部隨燒蝕區(qū)的膨脹一起噴射,在黏性力作用下,離光束中心較遠(yuǎn)的受沖擊波作用力小的外層工質(zhì)同燒蝕區(qū)周圍工質(zhì)黏結(jié)在一起,因而在噴射羽流演化圖像中可見明顯的靶面形貌改變.

圖9 摻雜7%紅外染料的GAP在不同厚度下的噴射羽流Fig.9.Plume of GAP doped with 7%infrared dyes at different target thicknesses.

圖10 透射激光燒蝕式下中心燒蝕區(qū)的膨脹過程Fig.10.Expansion process of the central ablation region under the transmission mode.

3.3 激光燒蝕模式對(duì)推進(jìn)性能的影響

透射式激光燒蝕模式下,通過合理地搭配靶材的厚度和紅外染料的摻雜濃度,能夠獲得較好的推進(jìn)性能和燒蝕性能,如紅外染料摻雜濃度為7%、厚度為74μm的GAP靶材,噴射羽流的燒蝕分解程度高,最優(yōu)的燒蝕效率接近200%.但受吸收深度和GAP黏性力的影響,存在噴射羽流中工質(zhì)燒蝕不完全和靶坑周圍形貌改變的不利現(xiàn)象.

分析不同的激光燒蝕模式,如圖11所示,透射式激光燒蝕模式下未充分燒蝕的外層工質(zhì)先噴射,充分吸收激光能量的中心燒蝕區(qū)的工質(zhì)后噴射,噴射羽流中的工質(zhì)燒蝕不均勻;而反射式激光燒蝕模式下,輻照區(qū)域的工質(zhì)遵循先吸收激光能量先噴射的規(guī)律,中心燒蝕區(qū)的膨脹不受外層工質(zhì)約束,減少了未充分燒蝕工質(zhì)噴射帶來的浪費(fèi).

圖11 不同激光燒蝕模式示意圖Fig.11.Diagram of different laser ablation mode.

為了進(jìn)一步探索GAP中紅外染料摻雜的適用方式,改變激光的入射方向,采集反射式激光燒蝕模式下?lián)诫s紅外染料GAP工質(zhì)的燒蝕羽流,與透射式激光燒蝕模式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖12所示,激光功率密度約為3.2×109W·cm?2.上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3%—7%摻雜濃度下GAP的推進(jìn)性能不相上下,圖12中燒蝕工質(zhì)的紅外染料摻雜濃度為3%,工質(zhì)厚度均為142μm.

從圖12可以看出,不同激光燒蝕模式下的噴射羽流截然不同.反射式激光燒蝕模式下,GAP工質(zhì)的燒蝕分解非常充分,在噴射羽流中未觀測(cè)到氣化物或者液態(tài)的工質(zhì)從靶材表面噴射出去.分析認(rèn)為反射式下激光輻照區(qū)域的工質(zhì)遵循先吸收激光能量先噴射的規(guī)律,在脈沖激光輻照時(shí)間內(nèi),中心燒蝕區(qū)逐漸從工質(zhì)表面向內(nèi)部延伸,沿激光傳播方向的工質(zhì)均能接受相同激光功率密度的激光輻照,工質(zhì)燒蝕分解均勻,因而不存在透射式激光燒蝕模式下未充分燒蝕而被噴射出去的現(xiàn)象.值得關(guān)注的是,反射式激光燒蝕模式下GAP工質(zhì)的黏性力在燒蝕過程中未對(duì)靶面形貌造成負(fù)面影響.

圖12 摻雜3%紅外染料的GAP在不同激光燒蝕模式下的噴射羽流Fig.12.Plume of GAP doped with 3%infrared dyes in different laser ablation modes.

根據(jù)燒蝕羽流反映出的信息,反射式激光燒蝕模式下?lián)诫s紅外染料GAP工質(zhì)的燒蝕分解充分,工質(zhì)的利用效率高,按照沖量耦合系數(shù)和比沖的定義公式,推進(jìn)性能相對(duì)于透射式應(yīng)該更高.為了探索反射式下?lián)诫s紅外染料的GAP是否能滿足激光燒蝕微推力器對(duì)推進(jìn)性能的要求,對(duì)不同激光燒蝕模式下的摻雜3%紅外染料的GAP進(jìn)行推進(jìn)性能測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示.

反射式激光燒蝕模式下?lián)诫s紅外染料GAP的推進(jìn)性能明顯優(yōu)于透射式,與采集的燒蝕羽流圖像呼應(yīng)得很好.沖量耦合系數(shù)略有提高,主要因?yàn)檩椪諈^(qū)工質(zhì)燒蝕程度增加,噴射羽流產(chǎn)生的沖量增大;比沖最優(yōu)值相對(duì)于透射式提高了近50%,與反射式下燒蝕區(qū)缺少外層工質(zhì)約束,羽流整體噴射速度提高相關(guān).整體來看,反射式激光燒蝕模式下?lián)诫s3%紅外染料的GAP的燒蝕效率最優(yōu)值超過250%,聚合物GAP釋放的化學(xué)能是噴射粒子動(dòng)能的主要貢獻(xiàn)來源.而在透射式激光燒蝕模式下,測(cè)量的兩種最優(yōu)摻雜濃度和靶厚度組合下的燒蝕效率均未超過200%,可見GAP工質(zhì)在反射式激光燒蝕模式下能夠更加充分地釋放化學(xué)能.

綜上推進(jìn)性能數(shù)據(jù)和燒蝕羽流,紅外染料更適合作為反射式激光燒蝕模式下黏性含能聚合物靶材的摻雜劑,如果激光燒蝕微推力器的燒蝕模式限定為透射式,則需要合理搭配靶材厚度和紅外染料的摻雜濃度,并使相鄰脈沖激光在工質(zhì)上的燒蝕區(qū)域保持一定間距以防止靶材形貌的改變影響輸出沖量的精度.

圖13 摻雜3%紅外染料的GAP在不同激光燒蝕模式下的推進(jìn)性能 (a)沖量耦合系數(shù);(b)比沖;(c)燒蝕效率Fig.13.Propulsion performance data of GAP doped with 3%infrared dyes contents under different laser ablation mode:(a)Momentum coupling coefficient;(b)specific impulse;(c)ablation efficiency.

4 結(jié) 論

通過推進(jìn)性能數(shù)據(jù)和燒蝕羽流對(duì)比,分析了紅外染料摻雜對(duì)激光燒蝕含能聚合物GAP推進(jìn)性能的影響以及提升摻雜紅外染料GAP推進(jìn)性能所需要的變量組合.結(jié)果表明,激光功率密度、紅外染料摻雜濃度、靶材厚度和激光燒蝕模式均會(huì)影響摻雜紅外染料GAP的推進(jìn)性能.紅外染料摻雜能顯著增強(qiáng)GAP對(duì)1064 nm波長激光的吸收;隨著摻雜濃度的增加,GAP對(duì)激光的吸收深度降低,透射式激光燒蝕模式下,需要合理搭配紅外染料的摻雜濃度和靶材的厚度才能充分發(fā)揮GAP的含能優(yōu)勢(shì);透射式下GAP的強(qiáng)黏性力和外層約束易造成燒蝕區(qū)周圍工質(zhì)形貌的改變;摻雜紅外染料的GAP在反射式激光燒蝕模式下工質(zhì)利用率高且羽流中不含未分解工質(zhì),化學(xué)能釋放更加充分,推進(jìn)性能表現(xiàn)優(yōu)秀.通過對(duì)比,紅外染料更適合作為反射式激光燒蝕微推力器的摻雜劑,如果微推力器的激光燒蝕模式設(shè)計(jì)為透射式,需要合理控制靶材上相鄰脈沖激光燒蝕區(qū)域的間距,以防止靶形貌改變對(duì)輸出沖量精度的影響.此次的實(shí)驗(yàn)主要從透射式激光燒蝕模式出發(fā),初步探討摻雜紅外染料GAP的推進(jìn)性能優(yōu)化方式,反射式激光燒蝕模式下的實(shí)驗(yàn)研究較少,后續(xù)工作將以反射式激光燒蝕模式作為定量,深入研究紅外染料摻雜濃度、厚度以及靶材約束對(duì)推進(jìn)性能的提升效果,為研制高性能激光燒蝕微推力器及其工程化應(yīng)用做前期準(zhǔn)備.