激光化学微推进推力性能的实验研究

李龙，胡晓军，唐志平

(中国科学技术大学 近代力学系，安徽 合肥230027)

0 引言

微推进技术主要用于空间飞行器的轨道和姿态的精确调节和保持，对微小卫星执行任务、星座的编队飞行，使空间超静平台实现无拖曳控制。目前，空间微推进领域在研的微推力器为气体推力器、脉冲等离子体推力器(PPT)、场效应离子推力器、霍尔推力器、微机电系统(MEMS)推力器、肼推力器、激光微推力器等。激光微推力器与其他几种方式的典型推进性能［1-9］相比具有冲量比特小、系统质量轻、推力调节范围宽等优点，在空间微推进领域中具有不可替代的地位。

激光化学微推进是指利用推力器自身携带的微型激光器产生的激光与推力器中含能工质相互作用产生高温高压气团反喷获得推动力的推进技术。其作用过程中有化学能的释放，新的能量注入使得推进性能得到提高。激光化学微推进属于烧蚀模式的激光推进，由于烧蚀对激光的功率密度有一定的要求(要高于工质的烧蚀阈值)，一般需要对激光器发出的光进行聚焦整形，考虑到为防止反射式工作方式时对镜头的污染，激光聚焦镜头需放置于离工质较远的位置(也不能完全避免喷射羽对镜头的污染)，目前国内外大多采用透射式开展激光微推进技术的研究。透射式激光微推进产生的喷射方向性很好，不再额外设计微喷管，直接利用烧蚀工质产生的冲量。

Lippert 等［10］、Phipps 等［11］利用近红外波长的二极管激光对缩水甘油叠氮聚醚(GAP)、聚乙烯醇硝酸酯(PVN)和聚氯乙烯(PVC)等聚合物进行了实验研究。叠氮类聚合物GAP 具有很好的推进性能，添加碳粉的GAP 获得了最高达368%的激光能量利用率η，而添加红外染料的GAP 获得了198%的η 值，这都说明了在激光作用后，化学能得到了释放，使得η 高于100%. 而同样作为含能工质的PVN 在这种激光条件下并没能使其化学能得到充分释放，从而得到的推进性能并不佳。

蔡建［12］对有机玻璃(PMMA)、双基药、赛璐珞(CN)等工质进行实验筛选，实验发现:有机玻璃具有较高的比冲Isp，最高值达到1 543.7 s，但其冲量耦合系数Cm最高只有6 dyne/W;而双基药作为本身含氧化剂的含能工质的一种，Cm的最大值达到了18 dyne/W，Isp最高达到742.5 s;在对55 μm 和100 μm两种厚度的双基药工质推进性能对比中发现，55 μm厚的双基药的Cm和Isp都优于100 μm 的。

一般，本身不含氧化剂的工质在激光化学推进中的能量释放主要发生在激光作用后的高温高压气团在推力器中的流场演化过程中，需要外界提供氧气。而本身含氧化剂的工质在激光与工质相互作用时就会释放大量的化学能，这一能量的释放过程是由工质本身提供的，不需要外界提供氧气。而激光化学微推进的应用几乎都是处于真空环境，所以本文选用可释放能量较高但又相对安全的双基药作为工质，在工质厚度方面进行推进性能优化研究。由于双基药对近红外波段的光并不吸收，需要添加红外染料辅助工质对激光的吸收，本文中选用直径1.5 μm 的碳粉。

1 衡量推进性能的主要参数

衡量激光推进性能的参数主要有冲量耦合系数Cm，比冲Isp和激光能量利用率η.

Cm为激光与物质相互作用时，推力器获得的冲量与输入激光能量的比值［13］，常用单位为dyne/W或N·s/J:

式中:P 为推力器获得的冲量;E 为激光输入能量;Δm 为工质烧蚀质量;vE为喷射物质的逃逸速度。

Isp为激光与物质相互作用时，推力器获得的冲量和工质在烧蚀中损失质量的比，用来衡量工质的利用率［10］，常用单位为s:

式中:g=9.8 m/s2.

η 为激光作用后产生的总动能与输入激光能量的比［10］:

式中:mt为推力器质量。

由于Δm≪mt，则可得

2 实验原理

如图1 所示，实验测量系统由控制电路、激光器、聚焦镜、工质、扭摆测试装置、导引示数系统和激光功率计等组成。

2.1 激光输入能量E 的测量

由于实验需要控制脉宽以得到不同的脉冲，本文中的激光能量E 由激光的功率W 乘以激光脉宽t得到，如(5)式。

式中:激光功率W 由功率计直接测得;激光脉宽t 由电路控制。

2.2 单脉冲烧蚀质量Δm 的测量

由于每次单脉冲的烧蚀质量很小，很难直接测得，实验中通过测得工质密度ρ 和烧蚀体积V，由(6)式计算得到单脉冲烧蚀质量Δm.

烧蚀部分为通孔(如图2 所示)，由金相显微镜拍出照片后，对比标尺读出孔洞面积S. 通过显微镜拍摄厚度剖面的照片，对比标尺读出厚度h. 则

图2 烧蚀孔洞Fig.2 Ablation hole

2.3 冲量P 的测量

冲量P 的测量用自研制的挡板扭摆系统，其测量原理如图1 所示，激光经聚焦镜头聚焦后穿过工质的透明基底层到达工质药膜产生烧蚀，喷射物喷到扭摆的挡板上使扭摆偏转，根据扭摆转动的角度，可以得到扭摆获得的冲量。实验验证，工质片到挡板的距离控制在1 mm 以内。这样的测试装置不仅可以对工质进行实验，还可以对推力器的单脉冲冲量进行测量，同时避免了多次移动扭摆造成的导引示数误差。

在微喷射作用以后，扭摆绕扭丝产生偏转，由角动量守恒、能量守恒方程和材料力学相关知识可得

式中:I 为扭摆的转动惯量;l 为扭丝的有效长度;J为截面极惯性矩;P 为作用在挡板上的冲量;R 为冲量臂，冲量作用点到扭丝的距离;θ 为扭摆转动的最大角度。

3 实验结果和分析

3.1 4种不同厚度双基药复合工质的实验结果(激光功率0.93 W)

实验所选激光器波长为980 nm，烧蚀激光的功率为0.93 W，聚焦光斑直径为50 μm，此处的激光功率密度为4.74 ×104W/cm2. 选用25 μm、30 μm、35 μm和40 μm 4 种不同厚度的工质片在不同脉宽t作用下进行实验研究。

图3 是25 μm 厚双基药复合工质在0.93 W 激光作用下的实验数据。0 ～2.0 ms 脉宽下的比冲和1.0 ～2.0 ms 脉宽下Cm都呈现出下降趋势。实验中，0.8 ms时存在最大η 为83.44%，此时的Cm为28.1 dyne/W，Isp为606.0 s. 激光脉宽为2.0 ms 时，Cm和Isp都降到最低。2.0 ms 处的η 最高只有7.3%.

图4 ～图6 分别为30 μm、35 μm、40 μm 厚双基药复合工质在0.93 W 激光作用下的实验数据。

30 μm 工质在脉宽2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明显低于其在1.0 ms 脉宽作用下的结果。实验中，在1.0 ms 脉宽作用时存在最大η 为63.22%，此时的Cm为34.6 dyne/W，Isp为373.0 s.激光脉宽为2.0 ms 时，η 最高只有7.6%，对应的Cm为15.3 dyne/W，Isp为101.0 s.

35 μm 工质在脉宽2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明显低于其在1.0 ms 脉宽作用下的结果。实验中，在1.0 ms 脉宽作用时存在最大η 为61.67%，此时的Cm为40.6 dyne/W，Isp为310.0 s.激光脉宽为2.0 ms时，η 最高只有8.3%，对应的Cm为18.4 dyne/W，Isp为91.6 s.

图3 25 μm 厚双基药复合工质推进性能Fig.3 Propulsion performance of 25 μm thick double-base propellant

40 μm 工质在脉宽2.0 ms 激光作用下的Cm、Isp和η 都明显低于其在1.0 ms 脉宽作用下的结果。在1.0 ms脉宽作用时存在最大η 为46.2%，此时的Cm为48.7 dyne/W，Isp为194.0 s. 实验中，激光脉宽为2.0 ms 时，η 最高只有11.9%，对应的Cm为39.0 dyne/W，Isp为62.5 s.

3.2 4种不同厚度双基药复合工质的对比分析(激光功率0.93 W)

图4 30 μm 厚双基药复合工质推进性能Fig.4 Propulsion performance of 30 μm thick double-base propellant

将4 种厚度工质在烧蚀阈值处的推进性能参数进行对比，如图7 所示，可见随着工质厚度的增加，工质的Cm有渐增的趋势，而Isp有渐减的趋势。主要因为，在这种功率密度下，工质片越厚，对激光来说越难将其烧透。在这种透射式的烧蚀中，在厚度方向，工质的作用形式分为两部分:第一部分，工质是靠激光直接烧蚀产生气体;第二部分，工质是靠烧蚀后的高温高压气团将其冲出去，这部分工质的质量利用率很低。比冲描述的是工质的利用率，工质片越厚，在同等激光作用下，第二部分的工质所占的比重越大，所以比冲就越低。同时，由于工质片越厚，喷射出的工质会越多，使得冲量耦合系数会略高。

由图7 可知，4 种工质的η 都在50%附近，没有出现超过100%的情况，没能很明显体现出其作为激光化学微推进的优越性。推测原因可能为:激光的功率密度较低，还不能较好地激发其化学能的释放，为此针对25 μm 厚的工质，提高激光的功率密度，以期获得更高的激光能量利用率。

图5 35 μm 厚双基药复合工质推进性能Fig.5 Propulsion performance of 35 μm thick double-base propellant

3.3 25 μm厚双基药复合工质的实验结果(激光功率1.80 W)

激光器波长为980 nm，烧蚀激光的功率较前文提高近1 倍，为1.80 W，聚焦光斑直径为50 μm，此处的激光功率密度为9.17 ×104W/cm2.

图8 是25 μm 厚双基药复合工质在1.80 W 激光作用下的实验数据。同前文，该工况下烧蚀阈值为0.2 ms. Cm、Isp和η 都随着脉宽时间的增加而减小。实验中，在0.2 ms 脉宽作用时存在最大η 为316.4%，此时的Cm为130.8 dyne/W，Isp为493.0 s.由图8(c)看到，激光脉宽在0.3 ms 和0.2 ms 时，η都超过了100%，说明双基药的化学能得到了释放，验证了前一小节的推测。

图6 40 μm 厚双基药复合工质推进性能Fig.6 Propulsion performance of 40 μm thick double-base propellant

4 化学能释放对微推进的影响

表1 显示了功率为0.93 W 和1.80 W 两种激光器作用下，实验中25 μm 厚双基药复合工质获得最大激光能量利用率时的相关参数。

图7 4 种厚度的双基药复合工质推进性能对比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，激光脉宽阈值为0.8 ms. 在1.80 W 激光作用下，脉宽阈值降到了0.2 ms，聚焦光斑都为50 μm，烧蚀时激光的功率密度较0.93 W 的情况提高了近1 倍，但烧蚀阈值降低4 倍，则输入的激光能量降了1 倍，而η 却提高了2.79 倍，这说明此时化学能的释放比0.93 W 时更加充分。

表1 两种功率激光作用下的推进性能对比Tab.1 Comparison of two kinds of laser power

将本文中所选双基药复合工质在功率为1.80 W的激光作用下的推进性能与文献［10，12］中报道的微推进工质的推进性能对比，结果如表2 所示。

表2 不同工质推进性能对比Tab.2 Comparison of different propellants

由表2 可见，作为本身不含氧化剂的PVC、PMMA和赛璐珞，它们的η 都较低，低于50%. 而作为本身含氧化剂的含能工质GAP 和本文所选的双基药，由于在激光作用过程中大量的化学能释放，使得它们的Cm和Isp都很高，从而使得其激光能量利用率都超过了100%.

图8 25 μm 厚双基药复合工质在1.80 W激光作用下的推进性能Fig.8 Propulsion performance of 25 μm thick double-base propellant with laser power of 1.80 W

本文所选的双基药复合工质和Lippert 等［10］所选的GAP 工质在掺杂C 粉时的激光能量利用率都超过了300%，是普通工质的6 倍以上，化学能的补充很明显。这两种含能工质在掺杂相同红外吸收剂时也是各有各的优点，双基药工质具有较高的Cm，而GAP 工质具有较高的Isp，可根据不同的需要进行选择。

5 结论

针对激光化学微推进的特点，采用自研制微冲量挡板扭摆系统，对25 μm、30 μm、35 μm、40 μm 4 种厚度自研制的双基药复合工质进行实验研究。激光焦斑为50 μm，功率密度为4.74×104W/cm2. 发现随着工质厚度的增加，工质的Cm有渐增的趋势，而Isp有渐减的趋势。得到了化学能释放和激光功率密度的关系。利用功率为1.80 W 的半导体激光器，25 μm 厚的双基药复合工质的Cm和Isp分别达到了130.8 dyne/W 和493.0 s，此时，名义上的η 高达316.4%，是无化学能释放工质的6 倍以上，化学能的贡献非常明显。实际应用中，在追求较大推力时可选择较厚的工质;在追求较高比冲时可选择薄一些的工质。

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