激光烧蚀液态工质诱发推力特性实验研究

窦志国++薛永泰　叶继飞　姚文鹏

摘 要：利用YAG激光器作为能量源，使用高频响压力传感器，对水、酒精、纯甘油、含碳质量分数分别为1%和5%的甘油混合物进行了烧蚀实验。实验发现，对于水、酒精、纯甘油等，随着激光能量增大，烧蚀产生的压电信号越大，其中黏度较小的水和酒精烧蚀产生的推力大于粘性较大的甘油，且对工质浪费比较严重。对于甘油含碳质量分数越大，得到的压电信号越小，但是溅射会明显减少。

关键词：激光推进 液体烧蚀 推力性能

中图分类号：TN2，V43 文献标识码：A 文章编号：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

激光烧蚀推进的工作过程可描述为激光脉冲，将能量传送到工质表面，作用导致工质表面发生击穿、融化、蒸发等现象，产生物质喷射，诱导产生推力。选择合适的推进工质是激光推进技术中一个关键问题。激光烧蚀液体能产生高达3500 N/MW的冲量耦合系数[1]，其次液态工质便于存储、供靶方式较为灵活，因此具有广泛应用前景。液体烧蚀推进是由Yabe所倡导，激光辐照铝靶上水膜，得到了3500 N/MW的冲量耦合系数。John Sinko等采用PCB压电传感器和ICCD高速相机等装置对酒精等液体激光烧蚀力学性能做了研究，确定了液体大量飞溅对产生推力贡献非常小，浪费了大部分的工质[2]。崔村燕等对水烧蚀激光推进性能进行了实验研究，发现实验中随机出现水烧蚀和水诱导的空气击穿[3]。Lippert等人使用YAG激光烧蚀了不同黏度的GAP，实验显示，较高黏度的GAP表现出来优异的推力性能 [4]。

该文根据黏度及液体表面张力不同选取了水、纯甘油、酒精进行烧蚀实验。粘性工质兼顾了液体与固体烧蚀的优点，但尚未对其掺杂之后诱发推力特性进行烧蚀研究。因此本文还对纯甘油、含碳质量分数分别为1%和%5的甘油混合物进行了烧蚀实验。

1 实验装置及原理

实验系统是由YAG激光器、DG535信号发生器、PCB传感器等组成。其中，YAG激光器输出激光波长为1046 nm，脉宽10 ns，单脉冲最大能量350 mJ。实验中使用20%分光镜将部分能量传输到能量计实时检测激光能量。力学测量装置使用PCB公司的201B03型传感器，该压电式力传感器的固有频率为90 kHz，测试范围为0.045～2224 N。传感器和液体承载装置固连，并事先预紧、标定。信号调理器的作用是为传感器提供电源、设置测试参数及工作模式等。DG535延迟/脉冲发生器，可以为整个实验提供时序，控制激光器触发出光，还用来调整Q开关延迟来控制激光能量。实验装置如图1所示。

实验对常温下酒精、水、纯甘油（其物理性质如表1所示）以及含碳比为1%和5%的甘油混合物进行了烧蚀研究。YAG激光经过平面镜反射，通过聚焦透镜聚焦在液面之上。烧蚀导致工质喷溅，诱发推力产生。其中，液体承载在铝制平台中央的圆型坑状约束中，PCB传感器使用配套的螺栓与铝台下螺纹孔连接。传感器接好信号调理器连接到示波器。读出装置示波器内部集成了100 Msps的数据采集卡，实时对烧蚀诱导推力进行测量并显示曲线。

2 不同工质烧蚀特性分析

对酒精、水和纯甘油以及含碳质量分数为1%和5%的甘油使用不同能量激光烧蚀。激光能量的调节采用激光器的电压从低到高调节。每组实验重复5次以上。使用能量计测算出每一次出光到达靶面的激光能量，剔除偶然因素。压力模拟信号经数据采集卡采集传送到示波器，得到电压-时间曲线。传感器灵敏度为2248 mv/kN，线性度较好，可以表示烧蚀所产生推力效果。endprint

当激光到达靶面之后，在激光到达靶面之后可以观测到明亮的等离子体发光。激光烧蚀水和酒精，发生强烈的喷溅，甚至当激光能量较大时候，喷溅时间可以持续到毫秒量级。在聚焦透镜上和铝制平台上可以看到大小不一分布不均匀的液滴。因此，在实验过程中，每次激光作用完毕之后都需重新注入水和酒精，来保持光斑大小和液层厚度，使得实验条件一致。激光与液态工质作用产生压力通过铝制平台到压电传感器转化电信号、经数据采集、示波器显示得到压电信号波形（见图2～4）。

由所得的压电信号图3、图4可知，对于激光烧蚀酒精、水、纯甘油，在保持光斑大小不变的情况下，随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之而增大。随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，因此测得的力也随着增大。所有工质的推力峰值均出现在5.5 μs附近，对比Sinko烧蚀液体中推力峰值出现在45 μs附近，其原因为Sinko使用的CO2激光脉宽为300 ns，而本文中激光脉宽为10 ns。说明推力峰值时间与所使用激光器自身参数有关。其中，对于不同种类工质取测得推力最大值（此时激光能量平均为156 mJ）对比发现，工质黏度对推力大小影响较大。随着工质黏度的增大，其推力峰值依次降低。对于纯甘油，由于其黏度较大，工质蒸发、气化、溅射带来的力学效果均小于水和酒精的激光烧蚀。加之激波在粘性较大的液体中传播，能量损失较大，导致了测得的压力较小。

3 工质掺碳比对烧蚀效果影响

激光烧蚀含碳质量分数不同的甘油。随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之增大。碳质量分数较大的甘油测得的波形较为扁平，而且激光能量增大，压力增大的幅值也较小，如图5～6所示。选取纯甘油及其掺碳混合物烧蚀测得的推力峰值对比发现，随着含碳比的增大，推力峰值降低，如图7所示。原因为参碳之后对激光的吸收变为表面吸收，由此溅射变小，带来的推力效果也随之变小。以上得到的推力曲线力产生的起始时间基本保持不变。说明激光能量、液体黏度、以及工质参杂不会改变液体工质烧蚀推力产生时间。

4 结论

本文对水、酒精、纯甘油、含碳质量分数分别为1%和5%的甘油混合物进行了烧蚀力学性能测试。得到如下结论：

（1）对于水、酒精、纯甘油等，随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，测得的力也随着增大。其中，烧蚀水工质得到了最大推力值为81.9 N，酒精为68.3 N。

（2）黏度较小的水和酒精烧蚀产生的力大于黏度较大的甘油，甘油烧蚀得到的最大推力值为35.6 N。但是，水和和酒精烧蚀发生液体溅射较多，对应的比冲会非常低。

（3）甘油含碳质量分数越大，得到的压电信号越小。含碳5%的甘油烧蚀推力最大值仅为10.3 N。实验是大气下测得的压力，忽略了激光与空气作用的效果，真空下液态工质与激光相互作用的物理、化学特性有待进一步探讨。另外，对于其喷溅羽流的演化，以及和力学曲线的对比分析将是下一步工作。

参考文献

[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.水烧蚀激光推进性能初步分析[J].推进技术.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] 刘光启，马连湘.化工物性手册[M].北京：化学工业出版社，2002：542-586.endprint

当激光到达靶面之后，在激光到达靶面之后可以观测到明亮的等离子体发光。激光烧蚀水和酒精，发生强烈的喷溅，甚至当激光能量较大时候，喷溅时间可以持续到毫秒量级。在聚焦透镜上和铝制平台上可以看到大小不一分布不均匀的液滴。因此，在实验过程中，每次激光作用完毕之后都需重新注入水和酒精，来保持光斑大小和液层厚度，使得实验条件一致。激光与液态工质作用产生压力通过铝制平台到压电传感器转化电信号、经数据采集、示波器显示得到压电信号波形（见图2～4）。

由所得的压电信号图3、图4可知，对于激光烧蚀酒精、水、纯甘油，在保持光斑大小不变的情况下，随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之而增大。随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，因此测得的力也随着增大。所有工质的推力峰值均出现在5.5 μs附近，对比Sinko烧蚀液体中推力峰值出现在45 μs附近，其原因为Sinko使用的CO2激光脉宽为300 ns，而本文中激光脉宽为10 ns。说明推力峰值时间与所使用激光器自身参数有关。其中，对于不同种类工质取测得推力最大值（此时激光能量平均为156 mJ）对比发现，工质黏度对推力大小影响较大。随着工质黏度的增大，其推力峰值依次降低。对于纯甘油，由于其黏度较大，工质蒸发、气化、溅射带来的力学效果均小于水和酒精的激光烧蚀。加之激波在粘性较大的液体中传播，能量损失较大，导致了测得的压力较小。

3 工质掺碳比对烧蚀效果影响

激光烧蚀含碳质量分数不同的甘油。随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之增大。碳质量分数较大的甘油测得的波形较为扁平，而且激光能量增大，压力增大的幅值也较小，如图5～6所示。选取纯甘油及其掺碳混合物烧蚀测得的推力峰值对比发现，随着含碳比的增大，推力峰值降低，如图7所示。原因为参碳之后对激光的吸收变为表面吸收，由此溅射变小，带来的推力效果也随之变小。以上得到的推力曲线力产生的起始时间基本保持不变。说明激光能量、液体黏度、以及工质参杂不会改变液体工质烧蚀推力产生时间。

4 结论

本文对水、酒精、纯甘油、含碳质量分数分别为1%和5%的甘油混合物进行了烧蚀力学性能测试。得到如下结论：

（1）对于水、酒精、纯甘油等，随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，测得的力也随着增大。其中，烧蚀水工质得到了最大推力值为81.9 N，酒精为68.3 N。

（2）黏度较小的水和酒精烧蚀产生的力大于黏度较大的甘油，甘油烧蚀得到的最大推力值为35.6 N。但是，水和和酒精烧蚀发生液体溅射较多，对应的比冲会非常低。

（3）甘油含碳质量分数越大，得到的压电信号越小。含碳5%的甘油烧蚀推力最大值仅为10.3 N。实验是大气下测得的压力，忽略了激光与空气作用的效果，真空下液态工质与激光相互作用的物理、化学特性有待进一步探讨。另外，对于其喷溅羽流的演化，以及和力学曲线的对比分析将是下一步工作。

参考文献

[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.水烧蚀激光推进性能初步分析[J].推进技术.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] 刘光启，马连湘.化工物性手册[M].北京：化学工业出版社，2002：542-586.endprint

当激光到达靶面之后，在激光到达靶面之后可以观测到明亮的等离子体发光。激光烧蚀水和酒精，发生强烈的喷溅，甚至当激光能量较大时候，喷溅时间可以持续到毫秒量级。在聚焦透镜上和铝制平台上可以看到大小不一分布不均匀的液滴。因此，在实验过程中，每次激光作用完毕之后都需重新注入水和酒精，来保持光斑大小和液层厚度，使得实验条件一致。激光与液态工质作用产生压力通过铝制平台到压电传感器转化电信号、经数据采集、示波器显示得到压电信号波形（见图2～4）。

由所得的压电信号图3、图4可知，对于激光烧蚀酒精、水、纯甘油，在保持光斑大小不变的情况下，随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之而增大。随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，因此测得的力也随着增大。所有工质的推力峰值均出现在5.5 μs附近，对比Sinko烧蚀液体中推力峰值出现在45 μs附近，其原因为Sinko使用的CO2激光脉宽为300 ns，而本文中激光脉宽为10 ns。说明推力峰值时间与所使用激光器自身参数有关。其中，对于不同种类工质取测得推力最大值（此时激光能量平均为156 mJ）对比发现，工质黏度对推力大小影响较大。随着工质黏度的增大，其推力峰值依次降低。对于纯甘油，由于其黏度较大，工质蒸发、气化、溅射带来的力学效果均小于水和酒精的激光烧蚀。加之激波在粘性较大的液体中传播，能量损失较大，导致了测得的压力较小。

3 工质掺碳比对烧蚀效果影响

激光烧蚀含碳质量分数不同的甘油。随着激光能量增加，由传感器测得电压信号均随之增大。碳质量分数较大的甘油测得的波形较为扁平，而且激光能量增大，压力增大的幅值也较小，如图5～6所示。选取纯甘油及其掺碳混合物烧蚀测得的推力峰值对比发现，随着含碳比的增大，推力峰值降低，如图7所示。原因为参碳之后对激光的吸收变为表面吸收，由此溅射变小，带来的推力效果也随之变小。以上得到的推力曲线力产生的起始时间基本保持不变。说明激光能量、液体黏度、以及工质参杂不会改变液体工质烧蚀推力产生时间。

4 结论

本文对水、酒精、纯甘油、含碳质量分数分别为1%和5%的甘油混合物进行了烧蚀力学性能测试。得到如下结论：

（1）对于水、酒精、纯甘油等，随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，测得的力也随着增大。其中，烧蚀水工质得到了最大推力值为81.9 N，酒精为68.3 N。

（2）黏度较小的水和酒精烧蚀产生的力大于黏度较大的甘油，甘油烧蚀得到的最大推力值为35.6 N。但是，水和和酒精烧蚀发生液体溅射较多，对应的比冲会非常低。

（3）甘油含碳质量分数越大，得到的压电信号越小。含碳5%的甘油烧蚀推力最大值仅为10.3 N。实验是大气下测得的压力，忽略了激光与空气作用的效果，真空下液态工质与激光相互作用的物理、化学特性有待进一步探讨。另外，对于其喷溅羽流的演化，以及和力学曲线的对比分析将是下一步工作。

参考文献

[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.水烧蚀激光推进性能初步分析[J].推进技术.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] 刘光启，马连湘.化工物性手册[M].北京：化学工业出版社，2002：542-586.endprint