不同激光点火能量下脉冲等离子体推进性能试验研究

詹玉豪， 李南雷

（航天工程大学宇航科学与技术系激光推进及应用国家重点实验室， 北京 101416）

0 引言

激光推进作为一种全新概念的航天推进技术， 受到各航天大国高度重视， 纷纷投入大量人力和财力进行研究。通过大量理论和实践证明，将激光烧蚀微推进和脉冲等离子体电推进相结合， 能够解决激光烧蚀微推进比冲小，脉冲等离子体电推进火花塞积碳等问题，将两者优势互补，形成一种新型微推力技术，在微小卫星上具有良好的应用前景。

激光加电组合推进是在脉冲等离子体推进和激光烧蚀微推进的基础上提出的一种新型微推进技术， 最早由日本东海大学Horisawa 提出，可分为激光加静电组合推进和激光加电磁组合推进[1-3]。 其中激光加电磁组合推进是利用感应电磁场对激光烧蚀等离子体进一步加速的一项技术。 该技术的工作原理为：在推进器工作前，首先利用高压电源为电容充电，通常为几千V，然后在激光烧蚀推进剂产生等离子体后， 推进器电极在高压作用下击穿放电，并形成感应磁场，极板放电过程中产生高温会进一步促使推进剂产生等离子体， 这些等离子体在电磁场作用下反向喷出形成推力。 激光加电磁组合推进根据推力器电容储能和激光能量的大小可划分为多种类型的推力器：①纯电推进（PPT），其激光能量为0；②激光支持的电推进（LS-PPT），电容储能远大于激光能量；③纯激光推进，电容储能为0；④电磁辅助的激光推进，激光能量远大于电容储能[4]。 本文主要研究第二种情况，也可称为激光支持的脉冲等离子体推进（LS-PPT）。

1 实验设计

LS-PPT 的试验平台主要包括激光加电组合推进器装置、能源设备、测量装置、辅助装置等。 激光加电组合推进器包括靶材、电容、电极等元器件；能源设备包括激光器、高压电源等；测量装置包括冲量测量装置、光学测量装置、电测量装置等；辅助装置包括真空舱、电位移台等[5-7]。

LS-PPT 试验分为推力性能测量和光学测量， 如图1所示，在推进性能测量中，推进器装置和扭摆系统布置在真空舱内， 推进器安装在扭摆系统上进行推力参数的测量，高压电源为电容提供高压能量，DG645 信号发射器控制激光器发射脉冲激光。

图1 LS-PPT 推进性能测量试验平台设计图

如图2 所示， 在光学测量中，激光器发射光束透过真空舱悬窗照射到真空舱内，然后通过一个反光镜和一个聚焦镜照射到LSPPT 推进器工质表面。为了更好的观察等离子体的运动情况，将ICCD 高速相机布设到推力器侧面， 利用DG645 控制激光器发射信号时间和高速相机的曝光时间，由于高速相机不能连续曝光，因此推进器每工作一次，只能拍摄一个时刻的图像，为观察LS-PPT中等离子体整个演变过程，需要设置不同曝光时刻，进行重复拍摄。

图2 LS-PPT 光学性能测量试验平台设计图

推进器装置主要有电容器、铜制极板、工质、塑料支撑架、铜制连接板组成，见图3。 其中，电容器大小2.0μF，额定电压3000V。 工质选用特氟龙材料，具有成本低廉，化学稳定性高，无毒环保，具有良好加工性能等优点。 放电室长、宽、高分别为1×1×2cm。 极板采用铜制材料，具有良好的导电性，安装工质后放电室长和宽分别是1cm、1cm。

图3 LS-PPT 推进器装置实物图

激光器选用Nimma400 型Nd：YAG 激光器， 见图4。指标参数为波长1064nm，脉宽6～8ns，光斑直径约8mm，工作频率1～10Hz，内控分档可调，并留有标准TTL 外控信号接口，支持外部控制，最大输出能量450mJ，可根据激光器工作电压来控制脉冲激光能量。

图4 Nimma400 型激光器

2 实验结果分析

LS-PPT 试验数据分析注重推力性能与光学图像的对比， 重点研究不同试验条件下等离子体微观特性变化与推力性能变化的关系。 推力性能参数主要有元冲量、比冲、冲量耦合系数、推力效率等，光学图像主要为等离子演变过程。

2.1 推进性能测量

按照图1 的试验设计，激光点火位置位于工质中心，设置电容充电电压2000V， 调节激光器工作电压大小来控制激光能量大小，激光电压从460V 到700V，对应激光能量从10.1mJ 到364.9mJ 之间， 当激光能量小于36.2mJ时， 推力器不工作， 通过示波器观察极板间没有电流产生，扭摆位移传感器没有测得位移偏差。

当激光能量大于36.2mJ 时， 如图5 所示，LS-PPT 的元冲量在53.0μN·s～65.73μN·s 之间， 在242.6mJ 附近达到峰值为65.73μN·s，从趋势看随着激光能量的增大元冲量先增大后减小，这可能是因为过高的激光能量，导致产生等离子体的初始速度过快， 使放电室内初始等离子体的密度减小，从而不利于极板放电，导致后续等离子体电磁加速效果下降，从而影响元冲量的大小。

图5 LS-PPT 元冲量随激光能量大小的变化图

如图6、7 所示，LS-PPT 的比冲在225.1s～287.0s 之间，在160.5mJ 附近达到峰值为287.0s；推进效率在1.3%～2.2%之间，在242.6mJ 附近达到峰值为2.2%。 随着激光能量的增加，LS-PPT 的比冲、 推进效率都随着激光能量的增大先增大后减小。

图6 LS-PPT 比冲随激光能量大小的变化图

图7 LS-PPT 推进效率随激光能量大小的变化图

2.2 光学测量

根据图2 的试验设计方案， 设置高速相机曝光时间5ns，感光增强倍率30 倍，选取不同时刻，对LS-PPT 工作全过程进行重复性拍照，试验结果如图8 所示，LS-PPT 等离子体的演化过程大致可分为纯激光烧蚀阶段、 等离子体电磁加速阶段和等离子体消失阶段。 纯激光烧蚀阶段发生在激光照射工质初期，极板放电之前。 0ns 时激光照射到工质，20ns 后发出耀眼光斑，随后诱导工质产生等离子体， 并成波浪形向外扩散，300ns 时等离子体扩散基本结束，极板和工质表面明显出现亮斑，纯激光烧蚀阶段结束。 随后由于初始等离子体的存在， 两极板之间开始放电，并诱导更多等离子体，工质表面和放电室内出现大量等离子体， 这些等离子体在感应磁场的作用下无规则向外喷出。随着电容放电和等离子体不断向外扩散，放电室内等离子体密度不断减小，在3000ns 后放电室内基本没有等离子体，在极板背面和螺母上有明显亮斑，这表明喷出的等离子体一部分附着周边物体上。 各个阶段的持续时间并非完全不一样，而是随着激光能量、电容储能大小的变化而变化。

图8 LS-PPT 等离子体演变过程图

为了对比不同激光能量对推进性能的影响，选取激光工作电压为500V、600V、700V，对应激 光 能 量 67.5mJ、215mJ、364.9mJ， 元冲量为56.00μN·s、64.92μN·s、53.52μN·s。 如图9 所示为不同激光能量下纯激光烧蚀阶段等离子体演变图， 图中可以看出激光能量越大，等离子体扩散速度越快，亮度相对较强。经测量，当激光能量为67.5mJ 时，0～50ns 等离子的平均速度7.60×104m/s，0～170ns， 等离子体平均速度6.29×104m/s；当激光能量为215.0mJ 时，0～50ns 等离子的平均速度1.24×105m/s，0～110ns 等离子体平均速度1.02×105m/s； 当激光能量为364.9mJ 时，0～50ns 等离子的平均速度1.46×105m/s，0～100ns，等离子体平均速度1.10×105m/s。

图9 不同激光能量下LS-PPT 纯激光烧蚀阶段等离子变化图

如图10 所示为不同激光能量下LS-PPT 电磁加速阶段等离子变化图， 在不同激光能量下等离子变化过程总体上基本一致，在电磁加速初期，工质表面激光点火位置最亮， 等离子体以激光点火位置为中心， 成半月亮形向外扩散， 随后工质表面全部变亮， 放电室内等离子体数量剧增， 整个放电室和极板被等离子体全部点亮， 之后随着等离子体不断向外喷出， 放电室内等离子逐渐变少。 不同之处在于， 一是从整个过程时间上看， 激光能量越大， 等离子体在放电室存在时间越长， 但元冲量最小。 从等离子亮度上来看，激光能量215.0mJ 时最亮，其次是67.5mJ，最后是364.9mJ。从等离子体数量看，激光能量215.0mJ 时等离子数量最多，几乎充满了放电室，而364.9mJ 时等离子数量最少。 综合对比可以看出，激光能量为215.0mJ 时，等离子亮度最强，数量最多，说明极板放电能量最强，对应元冲量越大。

图10 不同激光能量下LS-PPT电磁加速阶段等离子变化图

3 结论

本文对以特氟龙为工质的激光支持的脉冲等离子体推进器的推进性能和等离子体羽流进行了详细的试验研究，在推力性能试验中发现，推进器的元冲量、比冲、推进效率都随激光能量的增加先增大后减小。 通过等离子体羽流拍照，我们发现激光能量越大，初始等离子体速度越快， 但在电磁加速阶段等离子体的数量和亮度与激光能量大小不成正相关关系，在激光能量为215.0mJ 时，等离子体数量和亮度最强，此情况下推进性能参数也最大。