吸收系數(shù)對激光燒蝕二硝酰胺銨推進(jìn)性能影響

孔紅杰，葉繼飛，毛晨濤，杜寶盛，鄭永贊，崔海超

（航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點實驗室，北京 101416）

0 引言

激光燒蝕推進(jìn)作為一種新概念推進(jìn)技術(shù)，擁有最小沖量元極小、低能耗、無污染等諸多優(yōu)點［1］，可用于微納衛(wèi)星的軌道保持，姿態(tài)調(diào)整等極小推力寬范圍［2］內(nèi)的可調(diào)節(jié)推進(jìn)任務(wù)。因此各國學(xué)者對激光推進(jìn)進(jìn)行了許多深入研究，發(fā)現(xiàn)合適靶材的選擇對于激光推進(jìn)有著十分重要的意義。目前，常見的靶材主要分為固體靶材和液體靶材2 種。其中固體靶材主要為金屬、高分子聚合物、含能靶材和摻雜靶材等；相對于固體靶材，液體靶材有著沖量耦合系數(shù)大、便于供給和存儲［3］等優(yōu)點，但關(guān)于液體靶材的相關(guān)研究較少，尤其對一些新型液體燃料的研究。

二硝酰胺銨（ADN）自Zelinsky 有機化學(xué)研究所首次合成后［4］，眾多學(xué)者對其合成工藝與燃燒過程進(jìn)行了諸多研究。而目前ADN 基液體推進(jìn)劑的研究與應(yīng)用依舊處于初步階段。國外方面，Wingborg［5］、Kappenstein［6］、Amrousse 等［7］先后對ADN 的溶解度、ADN 的水溶液以及其熱解催化劑進(jìn)行了相關(guān)研究。瑞典空間研究中心用ADN、甘氨酸、水、甲醇等組分研制出LMP-103S 液體推進(jìn)劑，并首次將其應(yīng)用于空間衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整［8］。國內(nèi)方面，大連化學(xué)物理研究所和中科院航天催化材料重點實驗室［9］將ADN、甲醇以及微量穩(wěn)定劑作為組分進(jìn)行研制并取得了一定成果。陳君［10］對ADN 基液體推進(jìn)劑高壓燃燒反應(yīng)以及其催化分解過程進(jìn)行了模型建立實驗驗證，同時研究了噴注壓力與推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)參數(shù)對其燃燒過程的影響。景李鑰［11-12］、張濤［13］分別對ADN 基液體推進(jìn)劑空間發(fā)動機和推力器進(jìn)行了仿真模擬。李雷等［14］研究了不同電極對ADN 基液體推進(jìn)劑電點火特性的影響。北京控制工程研究所［15-17］設(shè)計了一種以ADN 燃料的空間微推力器，實際推力達(dá)到1.03 N，比沖達(dá)到210.2 s。對于ADN 基液體推進(jìn)劑的研究，國內(nèi)外學(xué)者研究大多基于傳統(tǒng)的點火方式，在激光燒蝕推進(jìn)方面則缺乏相關(guān)的研究。

本研究將激光燒蝕推進(jìn)與ADN 液體推進(jìn)劑相結(jié)合，把ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑作為液體靶材，激光燒蝕作為點火方式，以ADN 工質(zhì)比例作為自變量，對ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑進(jìn)行吸收系數(shù)的測量，同時利用高精度扭擺對激光燒蝕不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑所產(chǎn)生的微沖量進(jìn)行測量。結(jié)合吸收系數(shù)測量結(jié)果與容器表征形貌對推進(jìn)劑所產(chǎn)生的微沖量變化趨勢進(jìn)行分析。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

吸收系數(shù)的測量主要利用近紅外光譜儀測量裝置，如圖1 所示，主要組成部分為LS-NIR-PRO 可調(diào)型光源、近紅光譜儀微型光纖式模塊NIR-M-F1、支架、電源等。LS-NIR-PRO 可調(diào)型光源是近紅外的寬光譜光源，光譜范圍為600～2500 nm，其采用35 W 大功率發(fā)光燈泡，通過雙重透鏡的精密調(diào)節(jié)，把光斑高效聚焦到SMA905 光纖口，能夠?qū)⑤敵龉π岣呤兑陨?。NIR-M-F1 近紅外光譜儀測量范圍為900～1700 nm，光學(xué)分辨率10 nm，波長精度1 nm，信噪比6000∶1，適用于反射、透射及光源測量。支架用于放置比色皿，同時隔離外界光線，避免干擾。比色皿為透明的石英玻璃材質(zhì)，內(nèi)部空間厚度為100 μm。

圖1 光譜儀測量裝置Fig.1 Spectrometer measuring apparatus

微沖量的測量依靠微推力測量平臺，如圖2 所示，主要由高精度扭擺、激光測距儀、反射鏡、平凸透鏡等部分構(gòu)成。其中激光器為Beamtech 公司的Nimma-400，重復(fù)頻率1～10 Hz，脈寬6～8 ns，波長1064 nm，光斑直徑8 mm 左右，最大單脈沖能量450 mJ；激光測距儀為wenglor 公司的PNBC001，分辨率0.06 μm，量程4 mm，線性偏差2 μm。通過調(diào)整位置角度，保證聚焦后的激光光斑落在容器的中心位置，且直徑約1 mm。

圖2 微推力測量平臺Fig.2 Micro - thrust measuring platform

高精度扭擺主要由基座、支撐架、樞軸、樞軸支架、橫梁支架、橫梁等部分組成，如圖3a 所示。高精度扭擺的核心部分為樞軸，其位于2 個樞軸支架中心，為扭擺提供了回復(fù)力，使得扭擺在受到脈沖力后能夠進(jìn)行二階有阻尼自由振動。放置液體工質(zhì)的容器如圖3b所示，其中心為Φ5 mm×1 mm 的圓柱體空間用于放置推進(jìn)劑；兩側(cè)為Φ2 mm 的通孔，方便固定于扭擺橫梁上。容器內(nèi)底面采用精加工的方式，平整度10 μm。

圖3 高精度扭擺和容器模型Fig.3 High-precision torsional pendulum and container model

YAG 脈沖激光經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后，作用于容器內(nèi)的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑上。推進(jìn)劑吸收激光能量后，迅速產(chǎn)生氣化、燃燒、濺射等一系列復(fù)雜的物理過程，從而產(chǎn)生沖量。由于容器固定在扭擺橫梁上，橫梁也受到瞬時作用的影響，在垂直平面內(nèi)發(fā)生角度偏移，如圖4 所示。扭擺在樞軸提供的回復(fù)力下進(jìn)行二階阻尼振動。

圖4 扭擺的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)Fig.4 Deflection of a torsional pendulum

設(shè)扭擺系統(tǒng)［18-19］的扭轉(zhuǎn)角為θ；燒蝕力臂，即燒蝕端容器中心與樞軸中心的距離為l；測量力臂，即測距激光與樞軸中心的距離為d，扭擺的最大偏移量為L，則有：

式中，I為微沖量，J為扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，ωn為無阻尼固有頻率，L為扭擺的最大偏移量，d為燒蝕力臂長度，l為測量力臂長度，ζ為阻尼比。其中轉(zhuǎn)動慣量J，無阻尼固有頻率ωn、阻尼比ζ均為系統(tǒng)參數(shù)，需進(jìn)一步標(biāo)定獲得。

運用脈沖響應(yīng)法［20-21］對本實驗系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，最終得到的結(jié)果為l=0.095 m，d=0.085 m，J=2.47×10-4kg·m-2，ωn=19.47 rad·s-1，ξ=0.0014。

由于激光測距儀的最大量程為4 mm，即扭擺振蕩最大幅值Lmax=2 mm，線性誤差為2 μm，即扭擺振蕩最小測量值Lmin=2 μm。因此，微沖量測量的最大值與最小值的關(guān)系如（2）式：

計算得出Imin=1.177 μN·s，Imax=1177 μN·s，即該測量裝置的沖量測量范圍為1.177～1177μN·s。

根據(jù)誤差傳遞公式，在扭擺測量裝置中有誤差傳遞關(guān)系：

式中，σI為微沖量的標(biāo)準(zhǔn)差，σJ為轉(zhuǎn)動慣量的標(biāo)準(zhǔn)差，σωn為 無 阻 尼 固 有 頻 率 的 標(biāo) 準(zhǔn) 差，σζ為 阻 尼 比 的 標(biāo) 準(zhǔn)差。利用已知數(shù)據(jù)，結(jié)合扭擺的測量范圍，帶入式（3）中得到的沖量測量的相對誤差1.26%。說明扭擺的測量結(jié)果可信度較高，能滿足實驗要求。

1.2 實驗過程

工質(zhì)采用由大連化學(xué)物理研究所研制的ADN 液體工質(zhì)，該工質(zhì)是一種淡黃色透明液體，對1064 nm激光的吸收率極低。采用epolin 公司的E2057 紅外染料與丙酮的混合溶液作為吸收劑。稱量15 mg 的紅外染料與1 mL 的丙酮溶液，將其混合并完全溶解，制成吸收劑。以10%為等比例間距，將ADN 工質(zhì)與吸收劑充分混合，構(gòu)成不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑。

依次將不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑注入比色皿中，利用近紅外光譜儀測量裝置對其透射率進(jìn)行測量，并根據(jù)透射率測量結(jié)果計算出吸收系數(shù)。

將不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑注入容器內(nèi)，將液膜厚度控制在（300±50）μm，利用60 mJ 的單脈沖YAG 激光進(jìn)行燒蝕，通過微沖量測量裝置對燒蝕產(chǎn)生的微沖量進(jìn)行測量，將獲得的實驗結(jié)果繪制成曲線。

結(jié)合ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑的吸收率，對其微沖量變化趨勢進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收系數(shù)測量結(jié)果

不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑通過近紅外光譜儀測量裝置得到的透射率結(jié)果如圖5 所示，為了便于區(qū)分，按奇偶比例分為圖5a（偶數(shù)）與圖5b（奇數(shù)）。圖中垂直黑線與曲線的交點即為該比例推進(jìn)劑在1064 nm 激光下的透射率。

由圖5 可以看出，推進(jìn)劑在1064 nm 激光下的透射率隨著ADN 含量的增加而增加，而吸收率則不斷下降。純吸收劑與10%的推進(jìn)劑的透射率無限接近0。ADN 含量在20%～50%區(qū)間內(nèi)，其透射率呈現(xiàn)小幅度的上升；在50%～80%區(qū)間內(nèi)，透射率上升速度逐漸變快；超過80%的區(qū)間，其透射率上升速度出現(xiàn)下降且變緩。

圖5 不同ADN 含量的推進(jìn)劑的透射率Fig.5 Transmission ratios of propellants with different content of ADN

根據(jù)測得的不同液體推進(jìn)劑的透射率結(jié)果，結(jié)合朗伯比爾定律［22］進(jìn)一步計算出吸收系數(shù)，結(jié)果如圖6所示。由圖6 可以看出，ADN 含量在0～10%時，推進(jìn)劑的吸收系數(shù)在70 cm-1左右；當(dāng)ADN 含量達(dá)到20%時，推進(jìn)劑的吸收系數(shù)大幅度下降，隨后在20%～80%區(qū)間呈現(xiàn)出近線性下降的趨勢；ADN 含量超過80%時部分吸收系數(shù)更是趨近于0。由于在激光燒蝕推進(jìn)需要在工質(zhì)層沉積足夠的能量，而吸收系數(shù)在ADN 比例超過80%后過小，因此選擇0～80%的比例區(qū)間進(jìn)行研究與分析。

圖6 推進(jìn)劑吸收系數(shù)隨ADN 含量的變化規(guī)律Fig.6 Variation law of absorption coefficient with ADN content in propellant

2.2 沖量分析

在激光能量60 mJ，液膜厚度300 μm 的工況下，不同比例ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量隨ADN 工質(zhì)比例的變化趨勢如圖7 所示。由圖7 可以看出，隨著工質(zhì)ADN 含量的上升，沖量大體呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的變化趨勢。

圖7 不同激光能量下，沖量隨ADN 含量的變化Fig.7 Variation of impulse with ADN content under different laser energy

結(jié)合推進(jìn)劑的吸收系數(shù)變化趨勢進(jìn)一步分析沖量變化趨勢：ADN 含量在0～20%區(qū)間時，吸收系數(shù)較大但沖量并不高，分析其主要原因可能是由于吸收劑的比例過高，吸收劑里的丙酮揮發(fā)較快，使得激光燒蝕的并非是液體推進(jìn)劑而是基底容器。隨著ADN 含量的上升，沖量于ADN 含量為30%處達(dá)到峰值點，該點為一個較好的ADN 工質(zhì)和吸收劑的混合比例。該混合比例下的推進(jìn)劑揮發(fā)較少，且能夠沉積較多的激光能量，使得激光對推進(jìn)劑產(chǎn)生燒蝕，進(jìn)而產(chǎn)生較大的沖量。當(dāng)ADN 的含量超過30%時，沖量呈現(xiàn)與吸收系數(shù)相似的近線性的下降趨勢。因此，認(rèn)為ADN 含量在30%～70%區(qū)間內(nèi)，沖量下降的主要原因可能是由于ADN 含量的上升導(dǎo)致的液體推進(jìn)劑的吸收系數(shù)下降，使得沉積在液體推進(jìn)劑上的激光能量逐漸減小，燒蝕效果減弱，進(jìn)而導(dǎo)致沖量不斷減小。當(dāng)ADN 含量達(dá)到80%時，沖量不再延續(xù)下降趨勢，而是產(chǎn)生陡增，結(jié)合吸收系數(shù)變化趨勢可以看出該點的吸收系數(shù)趨近于0，也就意味著激光能量基本不會沉積于液體推進(jìn)劑上。因此，分析認(rèn)為該點的大部分沖量也并非由激光燒蝕液體推進(jìn)劑產(chǎn)生，而是大部分激光能量透過液體推進(jìn)劑，作用于基底容器產(chǎn)生沖量。與ADN 含量在0～20%區(qū)間內(nèi)的推進(jìn)劑相比，ADN 含量為80%的推進(jìn)劑里的ADN 含量高，不易揮發(fā)，進(jìn)而形成一層液膜，構(gòu)成“水炮靶”，因此ADN 含量為80%的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量遠(yuǎn)高于ADN 含量在0～20%區(qū)間內(nèi)的推進(jìn)劑。

在上述沖量結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步證明分析的合理性，在液膜厚度300 μm、激光能量60 mJ 的工況下，設(shè)置空白對照組，即在0～80%區(qū)間內(nèi)，按照等差為10%的比例混合ADN 工質(zhì)與丙酮（不添加紅外染料），獲得對照組的推進(jìn)劑，進(jìn)行對照試驗，所得到的沖量結(jié)果如圖8 所示。

圖8 實驗組（添加紅外染料）與對照組（未加紅外染料）的沖量變化Fig.8 Variation of impulse of experimental group（with infrared dye）and control group（without infrared dye）

對比2 組的沖量變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)在ADN 含量在0～20%區(qū)間內(nèi)，實驗組（添加紅外染料）的沖量略高于對照組；ADN 含量在30%～70%區(qū)間內(nèi)，實驗組沖量呈下降趨勢，而對照組相反，呈現(xiàn)逐漸上升后平穩(wěn)的變化趨勢；ADN 含量在80%處，2 組的沖量近似。對照組的液體推進(jìn)劑由于未添加紅外染料，對激光的吸收率接近于0，因此其沖量上升的主要原因為ADN 含量的增加，使得液體推進(jìn)劑揮發(fā)減少，形成液膜，當(dāng)激光作用于基底容器時，構(gòu)成“水炮靶”，進(jìn)而沖量增加。

通過對比，可以認(rèn)為實驗組在ADN 含量為30%～70%區(qū)間內(nèi)，沖量的下降確實是由于液體推進(jìn)劑的吸收系數(shù)的下降而造成。同時實驗組在ADN 含量為80%處的沖量與對照組沖量平穩(wěn)區(qū)間大致相同，因此從沖量角度來看，實驗組在ADN 含量為80%處的沖量陡增主要是由“水炮靶”造成的。

對實驗后的容器底部的表面利用共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察，如圖9 示，圖9a、圖9b 分別為實驗組激光燒蝕ADN 含量為80%和30%的推進(jìn)劑后的容器表面形貌。對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，圖9a 中可以觀察到明顯的金屬燒蝕坑，表面十分粗糙，與激光直接作用于鋁靶材的形貌十分相似，直徑約800 μm，深度約20 μm；而圖9b 中的燒蝕坑沒有明顯的金屬燒蝕痕跡，且依舊保持金屬光澤，金屬凹坑的直徑約700 μm，深度約40 μm。此外，還可以明顯看出金屬凹坑的輪廓線近似拋物線，十分平緩，認(rèn)為這是由于推進(jìn)劑在與激光能量相互耦合時，所產(chǎn)生的力作用于容器的金屬表面，金屬受力凹陷同時對部分推進(jìn)劑產(chǎn)生反作用力，從而產(chǎn)生大量液滴的飛濺現(xiàn)象。

圖9 80%與30%ADN 下容器燒蝕形貌Fig.9 Ablation morphology of the vessel under 80% and 30% ADN

綜合上述的沖量大小與容器燒蝕形貌表征，可以判斷出80%ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑的沖量變大的主要原因是推進(jìn)劑與基底容器構(gòu)成“水炮靶”，激光能量主要沉積在基底容器上，對容器進(jìn)行燒蝕，而液體推進(jìn)劑僅起到了約束作用。

3 結(jié)論

（1）不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑，其吸收系數(shù)隨著ADN 比例的增加大體呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)ADN 含量在0～10%時，吸收系數(shù)保持在70 cm-1左右；當(dāng)ADN 含量在20%～80%時，吸收系數(shù)呈現(xiàn)近似線性的下降趨勢，且在20%處下降幅度較大；當(dāng)ADN含量超過80%時，吸收系數(shù)趨近于0。

（2）激光燒蝕不同比例的ADN-丙酮基液體推進(jìn)劑時，所產(chǎn)生的沖量大體呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢。當(dāng)ADN 含量低于30%時，液體推進(jìn)劑由于吸收劑過多，揮發(fā)較快，沖量較??；當(dāng)ADN 含量在30%～70%時，液體推進(jìn)劑的吸收系數(shù)逐漸下降，沖量也逐漸下降；當(dāng)ADN 含量達(dá)到80%時，液體推進(jìn)劑與基底容器構(gòu)成“水炮靶”，進(jìn)而沖量大幅度增加。

（3）通過與未添加紅外染料的對照組的沖量對比和容器燒蝕形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)ADN 含量為80%的推進(jìn)劑的沖量與對照組近似，且產(chǎn)生的燒蝕坑形貌粗糙，輪廓不規(guī)則，與ADN 含量為30%的推進(jìn)劑產(chǎn)生的近似拋物線的光滑凹坑完全不同。