不同激光點火能量下脈沖等離子體推進性能試驗研究

詹玉豪， 李南雷

（航天工程大學宇航科學與技術系激光推進及應用國家重點實驗室， 北京 101416）

0 引言

激光推進作為一種全新概念的航天推進技術， 受到各航天大國高度重視， 紛紛投入大量人力和財力進行研究。通過大量理論和實踐證明，將激光燒蝕微推進和脈沖等離子體電推進相結(jié)合， 能夠解決激光燒蝕微推進比沖小，脈沖等離子體電推進火花塞積碳等問題，將兩者優(yōu)勢互補，形成一種新型微推力技術，在微小衛(wèi)星上具有良好的應用前景。

激光加電組合推進是在脈沖等離子體推進和激光燒蝕微推進的基礎上提出的一種新型微推進技術， 最早由日本東海大學Horisawa 提出，可分為激光加靜電組合推進和激光加電磁組合推進[1-3]。 其中激光加電磁組合推進是利用感應電磁場對激光燒蝕等離子體進一步加速的一項技術。 該技術的工作原理為：在推進器工作前，首先利用高壓電源為電容充電，通常為幾千V，然后在激光燒蝕推進劑產(chǎn)生等離子體后， 推進器電極在高壓作用下?lián)舸┓烹姡⑿纬筛袘艌?，極板放電過程中產(chǎn)生高溫會進一步促使推進劑產(chǎn)生等離子體， 這些等離子體在電磁場作用下反向噴出形成推力。 激光加電磁組合推進根據(jù)推力器電容儲能和激光能量的大小可劃分為多種類型的推力器：①純電推進（PPT），其激光能量為0；②激光支持的電推進（LS-PPT），電容儲能遠大于激光能量；③純激光推進，電容儲能為0；④電磁輔助的激光推進，激光能量遠大于電容儲能[4]。 本文主要研究第二種情況，也可稱為激光支持的脈沖等離子體推進（LS-PPT）。

1 實驗設計

LS-PPT 的試驗平臺主要包括激光加電組合推進器裝置、能源設備、測量裝置、輔助裝置等。 激光加電組合推進器包括靶材、電容、電極等元器件；能源設備包括激光器、高壓電源等；測量裝置包括沖量測量裝置、光學測量裝置、電測量裝置等；輔助裝置包括真空艙、電位移臺等[5-7]。

LS-PPT 試驗分為推力性能測量和光學測量， 如圖1所示，在推進性能測量中，推進器裝置和扭擺系統(tǒng)布置在真空艙內(nèi)， 推進器安裝在扭擺系統(tǒng)上進行推力參數(shù)的測量，高壓電源為電容提供高壓能量，DG645 信號發(fā)射器控制激光器發(fā)射脈沖激光。

圖1 LS-PPT 推進性能測量試驗平臺設計圖

如圖2 所示， 在光學測量中，激光器發(fā)射光束透過真空艙懸窗照射到真空艙內(nèi)，然后通過一個反光鏡和一個聚焦鏡照射到LSPPT 推進器工質(zhì)表面。為了更好的觀察等離子體的運動情況，將ICCD 高速相機布設到推力器側(cè)面， 利用DG645 控制激光器發(fā)射信號時間和高速相機的曝光時間，由于高速相機不能連續(xù)曝光，因此推進器每工作一次，只能拍攝一個時刻的圖像，為觀察LS-PPT中等離子體整個演變過程，需要設置不同曝光時刻，進行重復拍攝。

圖2 LS-PPT 光學性能測量試驗平臺設計圖

推進器裝置主要有電容器、銅制極板、工質(zhì)、塑料支撐架、銅制連接板組成，見圖3。 其中，電容器大小2.0μF，額定電壓3000V。 工質(zhì)選用特氟龍材料，具有成本低廉，化學穩(wěn)定性高，無毒環(huán)保，具有良好加工性能等優(yōu)點。 放電室長、寬、高分別為1×1×2cm。 極板采用銅制材料，具有良好的導電性，安裝工質(zhì)后放電室長和寬分別是1cm、1cm。

圖3 LS-PPT 推進器裝置實物圖

激光器選用Nimma400 型Nd：YAG 激光器， 見圖4。指標參數(shù)為波長1064nm，脈寬6～8ns，光斑直徑約8mm，工作頻率1～10Hz，內(nèi)控分檔可調(diào)，并留有標準TTL 外控信號接口，支持外部控制，最大輸出能量450mJ，可根據(jù)激光器工作電壓來控制脈沖激光能量。

圖4 Nimma400 型激光器

2 實驗結(jié)果分析

LS-PPT 試驗數(shù)據(jù)分析注重推力性能與光學圖像的對比， 重點研究不同試驗條件下等離子體微觀特性變化與推力性能變化的關系。 推力性能參數(shù)主要有元沖量、比沖、沖量耦合系數(shù)、推力效率等，光學圖像主要為等離子演變過程。

2.1 推進性能測量

按照圖1 的試驗設計，激光點火位置位于工質(zhì)中心，設置電容充電電壓2000V， 調(diào)節(jié)激光器工作電壓大小來控制激光能量大小，激光電壓從460V 到700V，對應激光能量從10.1mJ 到364.9mJ 之間， 當激光能量小于36.2mJ時， 推力器不工作， 通過示波器觀察極板間沒有電流產(chǎn)生，扭擺位移傳感器沒有測得位移偏差。

當激光能量大于36.2mJ 時， 如圖5 所示，LS-PPT 的元沖量在53.0μN·s～65.73μN·s 之間， 在242.6mJ 附近達到峰值為65.73μN·s，從趨勢看隨著激光能量的增大元沖量先增大后減小，這可能是因為過高的激光能量，導致產(chǎn)生等離子體的初始速度過快， 使放電室內(nèi)初始等離子體的密度減小，從而不利于極板放電，導致后續(xù)等離子體電磁加速效果下降，從而影響元沖量的大小。

圖5 LS-PPT 元沖量隨激光能量大小的變化圖

如圖6、7 所示，LS-PPT 的比沖在225.1s～287.0s 之間，在160.5mJ 附近達到峰值為287.0s；推進效率在1.3%～2.2%之間，在242.6mJ 附近達到峰值為2.2%。 隨著激光能量的增加，LS-PPT 的比沖、 推進效率都隨著激光能量的增大先增大后減小。

圖6 LS-PPT 比沖隨激光能量大小的變化圖

圖7 LS-PPT 推進效率隨激光能量大小的變化圖

2.2 光學測量

根據(jù)圖2 的試驗設計方案， 設置高速相機曝光時間5ns，感光增強倍率30 倍，選取不同時刻，對LS-PPT 工作全過程進行重復性拍照，試驗結(jié)果如圖8 所示，LS-PPT 等離子體的演化過程大致可分為純激光燒蝕階段、 等離子體電磁加速階段和等離子體消失階段。 純激光燒蝕階段發(fā)生在激光照射工質(zhì)初期，極板放電之前。 0ns 時激光照射到工質(zhì)，20ns 后發(fā)出耀眼光斑，隨后誘導工質(zhì)產(chǎn)生等離子體， 并成波浪形向外擴散，300ns 時等離子體擴散基本結(jié)束，極板和工質(zhì)表面明顯出現(xiàn)亮斑，純激光燒蝕階段結(jié)束。 隨后由于初始等離子體的存在， 兩極板之間開始放電，并誘導更多等離子體，工質(zhì)表面和放電室內(nèi)出現(xiàn)大量等離子體， 這些等離子體在感應磁場的作用下無規(guī)則向外噴出。隨著電容放電和等離子體不斷向外擴散，放電室內(nèi)等離子體密度不斷減小，在3000ns 后放電室內(nèi)基本沒有等離子體，在極板背面和螺母上有明顯亮斑，這表明噴出的等離子體一部分附著周邊物體上。 各個階段的持續(xù)時間并非完全不一樣，而是隨著激光能量、電容儲能大小的變化而變化。

圖8 LS-PPT 等離子體演變過程圖

為了對比不同激光能量對推進性能的影響，選取激光工作電壓為500V、600V、700V，對應激 光 能 量 67.5mJ、215mJ、364.9mJ， 元沖量為56.00μN·s、64.92μN·s、53.52μN·s。 如圖9 所示為不同激光能量下純激光燒蝕階段等離子體演變圖， 圖中可以看出激光能量越大，等離子體擴散速度越快，亮度相對較強。經(jīng)測量，當激光能量為67.5mJ 時，0～50ns 等離子的平均速度7.60×104m/s，0～170ns， 等離子體平均速度6.29×104m/s；當激光能量為215.0mJ 時，0～50ns 等離子的平均速度1.24×105m/s，0～110ns 等離子體平均速度1.02×105m/s； 當激光能量為364.9mJ 時，0～50ns 等離子的平均速度1.46×105m/s，0～100ns，等離子體平均速度1.10×105m/s。

圖9 不同激光能量下LS-PPT 純激光燒蝕階段等離子變化圖

如圖10 所示為不同激光能量下LS-PPT 電磁加速階段等離子變化圖， 在不同激光能量下等離子變化過程總體上基本一致，在電磁加速初期，工質(zhì)表面激光點火位置最亮， 等離子體以激光點火位置為中心， 成半月亮形向外擴散， 隨后工質(zhì)表面全部變亮， 放電室內(nèi)等離子體數(shù)量劇增， 整個放電室和極板被等離子體全部點亮， 之后隨著等離子體不斷向外噴出， 放電室內(nèi)等離子逐漸變少。 不同之處在于， 一是從整個過程時間上看， 激光能量越大， 等離子體在放電室存在時間越長， 但元沖量最小。 從等離子亮度上來看，激光能量215.0mJ 時最亮，其次是67.5mJ，最后是364.9mJ。從等離子體數(shù)量看，激光能量215.0mJ 時等離子數(shù)量最多，幾乎充滿了放電室，而364.9mJ 時等離子數(shù)量最少。 綜合對比可以看出，激光能量為215.0mJ 時，等離子亮度最強，數(shù)量最多，說明極板放電能量最強，對應元沖量越大。

圖10 不同激光能量下LS-PPT電磁加速階段等離子變化圖

3 結(jié)論

本文對以特氟龍為工質(zhì)的激光支持的脈沖等離子體推進器的推進性能和等離子體羽流進行了詳細的試驗研究，在推力性能試驗中發(fā)現(xiàn)，推進器的元沖量、比沖、推進效率都隨激光能量的增加先增大后減小。 通過等離子體羽流拍照，我們發(fā)現(xiàn)激光能量越大，初始等離子體速度越快， 但在電磁加速階段等離子體的數(shù)量和亮度與激光能量大小不成正相關關系，在激光能量為215.0mJ 時，等離子體數(shù)量和亮度最強，此情況下推進性能參數(shù)也最大。