羅樂樂，竇志國,2，李南雷，劉昭然

(1.航天工程大學激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416；2.航天工程大學訓練部，北京 101416)

0 引 言

激光燒蝕微推力器利用激光與靶材的相互作用，通過燒蝕產生的高壓膨脹和物質噴射對靶面產生的反作用力，為微推力器提供推進動力。激光燒蝕微推力器作為新型推力器，具有結構簡單、比沖高、最小比特小、壽命長等優(yōu)點，在航天器姿態(tài)調整和微小衛(wèi)星推進領域具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。目前，激光燒蝕模式可分為透射式和反射式兩種[3-4]。透射式下，激光器與靶材處于基底異側，激光穿過透明基底與另一側的靶材作用，燒蝕區(qū)吸收激光能量后由內部向靶表面延伸，當燒蝕區(qū)形成的高溫高壓區(qū)足以突破外層靶材約束時，產生燒蝕噴射。透射式下，聚合物噴射產物不會污染光學鏡頭，是目前激光燒蝕微推力器采用的主要方式。

靶材燒蝕性能的優(yōu)劣對激光燒蝕微推力器的推進性能起著決定性作用，目前靶材研究主要集中在含能聚合物。相比普通聚合物，含能聚合物[5-6]在激光燒蝕過程中，自身的氮化學鍵斷裂，釋放出的化學能加速聚合物放熱分解，提高了燒蝕產物噴射的反沖力，推進性能顯著優(yōu)于非含能靶材。本實驗選用含能聚合物——聚疊氮縮水甘油醚(GAP)作為激光燒蝕靶材。

聚合物GAP為淡黃色濃稠狀液體，對紅外激光吸收率低，制備成百微米厚度的固體靶材之后接近透明色。激光燒蝕過程中，入射的激光能量大部分透過靶材而被耗散，只有極少的激光能量沉積到聚合物中。納米碳粉作為近紅外波長激光的吸收劑，摻雜在聚合物中能夠顯著增強對激光的吸收。國內外學者[7-9]通過光譜分析、質譜分析、電鏡觀測等手段對摻雜納米碳粉的GAP噴射產物進行了分析，給出了摻雜之后噴射產物中帶電離子的濃度變化，提出了納米碳粉吸收激光能量形成局部熱區(qū)的概念，認為納米碳粉通過促進聚合物的分解電離提高了聚合物的推進性能，但未在文獻中從推進性能的角度評估納米碳粉摻雜對激光燒蝕聚合物的提升效果。

考慮到以上因素，設計高精度推進性能測量系統(tǒng)和陰影羽流觀測系統(tǒng)。通過推進性能測量系統(tǒng)間接求解出用于描述激光燒蝕微推力器性能的沖量耦合系數(shù)、比沖和能量轉換效率[10]，通過高速相機采集聚合物在視場范圍內的激光燒蝕噴射羽流。結合摻雜前后聚合物的推進性能數(shù)據(jù)和微觀的噴射羽流圖像，分析納米碳粉提升聚合物靶材推進性能的原因和影響摻碳GAP推進性能的因素，為激光燒蝕微推力器的工程化應用提供有效的數(shù)據(jù)參考。

1 實驗設計

本文以含能聚合物GAP作為燒蝕靶材，以透射式作為主要激光燒蝕模式，采用波長為1064 nm、脈寬為8 ns的YAG激光器。靶材參數(shù)包括不同納米碳粉摻雜濃度(1%和3%)和多種靶材厚度。并選擇一組較好的靶材工況與反射式激光燒蝕模式下的實驗結果進行對比。

激光燒蝕微推力器是應用于空間推進的動力設備，由于真空下缺少背壓的約束，微推力器推進過程中靶材燒蝕形成的高溫高壓區(qū)迅速擴散，對靶面形成反作用的時間縮短，推力減少。隨著空氣壓強降低， 空氣爆轟推進所占比重逐漸減少，真空燒蝕推進所占比重增加[11-12]，使得真空環(huán)境下微推力器靶材的推進性能遠低于大氣環(huán)境。為增強實驗數(shù)據(jù)實用性，推進性能測量和羽流觀測均在真空艙中進行，抽壓至40 Pa模擬真空氣壓環(huán)境。

1.1 推進性能測量系統(tǒng)

為求解摻雜不同濃度納米碳粉GAP的沖量耦合系數(shù)、比沖和能量轉化效率，需要知道沖量、單脈沖激光能量和燒蝕質量這些可直接測量量。實驗系統(tǒng)由高精度微沖量測量裝置、能量計和光學顯微鏡組成，可對以上量進行采集和計算。其中，扭擺沖量測量裝置如圖1所示。

脈沖激光通過真空艙的高透過率窗口和聚焦鏡后作用在固定于扭擺橫梁上的GAP靶材，噴射羽流對靶面形成反沖沖量使扭擺在水平面上產生擺動。通過電容位移傳感器采集的扭擺擺動數(shù)據(jù)計算沖量，測量方法參照文獻[13]。采用能量計對單脈沖激光能量進行測量。通過光學顯微鏡測量的靶坑的上下表面半徑和測厚儀得到的靶材厚度，基于圓臺模型計算單脈沖激光燒蝕質量。燒蝕靶坑的高倍顯微鏡觀測圖像和實物圖如圖2所示。

1.2 羽流觀測系統(tǒng)

羽流觀測系統(tǒng)示意圖如圖3所示。高速相機聚焦在靶材上的燒蝕區(qū)域，激光器輸出激光通過反射鏡折轉和透鏡聚焦后作用在靶材上，燒蝕羽流的噴射方向與高速相機拍攝方向垂直。通過信號觸發(fā)器控制高速相機在激光器觸發(fā)之后的開啟延遲時間，拍攝不同時刻的羽流噴射圖像。

2 摻雜濃度對推進性能的影響

摻雜納米碳粉能夠提高聚合物靶材對激光的吸收率，但不同濃度下聚合物靶材的推進性能如何變化，尤其是在真空下，聚合物靶材的推進性能是否隨摻雜濃度而顯著變化，目前還沒有相關文獻給出系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)。下面實驗以摻雜1%和3%濃度納米碳粉的GAP作為主要研究對象，與未摻雜下的GAP進行對比，分析納米碳粉摻雜提升聚合物GAP推進性能的原因。

2.1 不同濃度摻雜下的推進性能分析

在推進性能測量中，沖量計算誤差、激光器輸出能量穩(wěn)定性和質量估算誤差都會影響測量數(shù)據(jù)的精度。為盡可能保證數(shù)據(jù)的精確性，需要將它們的影響考慮在內，沖量測量的誤差主要由環(huán)境噪聲和電容位移傳感器的自身測量誤差引起，單次測量的誤差低于8.2×10-8N·s；單脈沖激光能量通過能量計進行十次采集求均值得到，不同電壓輸入下測量的能量標準差不一樣，激光能量越小相對誤差越大；在計算單脈沖激光的燒蝕質量時，由于燒蝕過程中熱擴散的存在，光學顯微鏡下無法觀測到清晰的燒蝕輪廓，計算過程中，燒蝕坑上下表面半徑測量誤差取20 μm。各項推進性能參數(shù)的計算誤差通過全微分公式求解。

圖4為透射式下，摻雜不同濃度納米碳粉的GAP靶材在不同激光功率密度下的沖量耦合系數(shù)。沖量耦合系數(shù)為靶材燒蝕噴射產生的沖量與單脈沖激光能量的比值，反映激光能量轉化為沖量的效率。沖量耦合系數(shù)越高，表示單脈沖激光作用下沉積在靶材中的能量越多，更多的能量轉化為噴射產物的動能。

從圖中可以看出：未添加納米碳粉的GAP靶材對激光的能量要求較高，在功率密度高于1.6×109W/cm2才開始產生沖量，并且隨著功率密度的增加，沖量耦合系數(shù)不發(fā)生顯著增加，一直處于較低的水平。添加納米碳粉之后，聚合物靶材的沖量耦合系數(shù)顯著增加，并隨著入射激光功率密度的增加，沖量耦合系數(shù)呈現(xiàn)出先急速上升，在達到等離子體閾值之后緩慢下降的變化趨勢，與Sinko等人[14]測量的聚合物的沖量耦合特性趨勢一致。圖中可以看到，聚合物的沖量耦合系數(shù)受納米碳粉濃度的影響較小，摻雜濃度從1%增加到3%，GAP的推進性能只有微弱的提升。

激光在聚合物中傳播按照公式(1)指數(shù)衰減。

I(z)=I(0)exp(-αz)

(1)

其中:I(0)為入射激光的初始能量，α為聚合物對激光的線性吸收系數(shù)，z為激光在聚合物中的入射深度。未摻雜的聚合物的激光吸收系數(shù)非常低，大部分能量以透射的方式被耗散，只有少部分激光能量沉積在聚合物中。摻雜的納米碳粉濃度越高，吸收系數(shù)α越大，激光在聚合物中衰減速度越快，聚合物吸收的激光能量越多。隨著激光功率密度增加，聚合物吸收的能量增加，在光熱機制下聚合物相繼出現(xiàn)熔融、氣化、離化等物理現(xiàn)象，并產生噴射。在這個過程中，轉化為羽流噴射的反沖沖量增加，激光的利用效率增加，沖量耦合系數(shù)顯著提高。但當入射激光的功率密度增加到一定值時，燒蝕區(qū)的等離子體密度達到飽和[15]，對入射激光產生屏蔽作用，此時除了維持等離子體密度的能量，不再吸收額外的激光能量，使耗散的激光能量增加。因而在圖4中可以看到，隨激光功率密度的增加，沖量耦合系數(shù)表現(xiàn)出先增加而后緩慢下降的趨勢。

摻雜納米碳粉一方面增大了靶材的激光吸收系數(shù)，使沉積在聚合物中的能量增加；另一方面聚合物中不規(guī)則分布的納米碳粉顆粒阻礙了激光在聚合物中的傳播，只有表面少量的聚合物被燒蝕，使聚合物表現(xiàn)出類似金屬靶材的面吸收的特性[16]，如圖5所示。

如果面吸收特性成立，在透射式下，激光燒蝕靶材形成的膨脹的高溫高壓區(qū)受到外層靶材的約束，不能馬上噴射出去，使燒蝕區(qū)吸收激光的時長增加。隨著能量持續(xù)注入，燒蝕區(qū)的溫度和壓力升高，在光熱機制下，聚合物燒蝕深度和化學能釋放增加。當燒蝕區(qū)膨脹的壓力大于約束力時，靶材外層破裂，產生噴射。而在反射式下，受到納米碳粉的阻礙作用，只有靶材表面很淺的一部分聚合物被激光燒蝕。由于不受到約束，聚合物受到高能激光輻照之后，迅速從聚合物表面噴射出。此時，與激光入射方向相反的噴射產物阻礙了激光能量在靶材表面進一步沉積，另一方面聚合物中的化學能在達到充分釋放的條件前，中心高溫高壓區(qū)就已經迅速擴散，導致GAP靶材中的化學能無法充分釋放，使推進性能顯著低于透射式激光燒蝕模式。

為驗證摻雜納米碳粉后聚合物GAP的面吸收特性，將反射式下聚合物的燒蝕推進性能數(shù)據(jù)與透射式下的實驗結果進行對比，如圖6所示。

可以看出，反射式下的沖量耦合系數(shù)明顯低于透射式。透射式下?lián)诫s1%納米碳粉的GAP的沖量耦合系數(shù)最高達350 N/mW，而反射式下最高僅為150 N/mW。對反射式激光燒蝕留下的靶坑觀察，在所測試的激光功率密度范圍內，137 μm厚的摻雜1%納米碳粉的GAP靶材均未被擊穿，實驗結果與上述分析符合得很好。

對摻雜不同濃度納米碳粉GAP的比沖進行分析，實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。摻雜納米碳粉的GAP的比沖遠高于未摻雜的GAP，隨著入射激光功率密度增加，摻雜納米碳粉的GAP靶材的比沖呈現(xiàn)出平穩(wěn)的增長趨勢。摻雜3%納米碳粉的GAP的比沖性能略優(yōu)于摻雜1%納米碳粉，這與摻雜濃度對沖量耦合系數(shù)的影響規(guī)律相似。對于微推力器靶材的設計，難以通過增加納米碳粉的摻雜濃度顯著提高靶材的推進性能。

圖7中可以看到未摻雜GAP的比沖的計算誤差很大，主要有兩方面原因：一方面由于沉積在聚合物中的激光能量非常少，產生的沖量僅為10-7N·s量級，與噪聲和位移傳感器引起的測量誤差8.8×10-8N·s相比，沖量的相對誤差非常大；另一方面，由于激光的高斯特性，輸出的激光光束中，沿光斑半徑方向，激光能量密度降低。而未摻雜的GAP對激光的吸收率非常低，只有在高能量密度的光斑中心區(qū)域才能產生有效的燒蝕，使得燒蝕坑的尺寸遠低于相同激光參數(shù)下?lián)诫s納米碳粉的GAP的燒蝕靶坑。而靶坑的尺寸越小，由靶坑半徑測量誤差引起的質量誤差越大。最終，比沖的計算誤差通過誤差傳遞關系被放大。

能量轉化效率ηAB反映入射激光能量轉化為激光燒蝕微推力器噴射粒子動能的效率，可用式(2)表示。

(2)

能量轉化效率是衡量激光燒蝕微推力器是否能勝任太空飛行任務的重要參數(shù)。對非含能靶材而言，考慮到燒蝕過程中等離子體屏蔽、散射和透射等引起的能量損耗，激光能量不能完全轉化為噴射粒子動能，導致能量轉換效率通常低于100%。Phipps等人[17]的研究表明，要滿足近地軌道飛行要求，要求激光燒蝕微推力器的能量轉化效率高于100%。換言之，除了脈沖激光作為能量源，還需要額外的能量來源。這也是目前激光燒蝕微推力器靶材的研究集中在含能聚合物的主要原因。

圖8給出了不同濃度納米碳粉摻雜下GAP的能量轉化效率，可以看出，摻雜納米碳粉大幅提高了GAP的能量轉化效率。隨著功率密度增加，能量轉化效率先急劇增加然后緩慢下降。摻雜1%和3%納米碳粉的GAP靶材的能量轉化效率在功率密度高于5×108W/cm2時最優(yōu)值接近160%，聚合物GAP靶材在激光燒蝕的過程中，釋放出大量的化學能。由Phipps等人的分析可知，使用1%和3%納米碳粉摻雜的GAP靶材可滿足激光燒蝕微推力器近地軌道飛行的推進性能要求。

2.2 不同濃度摻雜下的噴射羽流分析

對推進性能數(shù)據(jù)分析可知，納米碳粉增強了聚合物對激光的吸收率，透射式激光燒蝕模式下外層靶材的束縛使聚合物吸收激光能量增加，促進聚合物GAP中化學能釋放。但對于納米碳粉提高聚合物的推進性能的更深層次的原因無法得出。

國外學者對摻雜納米碳粉的GAP進行了光譜分析和質譜分析[7,8]，發(fā)現(xiàn)摻雜納米碳粉之后，聚合物的噴射產物中含有高濃度的電子伏能量在40～80 eV的C+。認為是摻雜的納米碳粉形成團聚，吸收激光能量后形成溫度遠高于周圍聚合物的局部熱區(qū)[18]，這些分散分布的高溫區(qū)迅速氣化和離化其周圍的聚合物，使推進性能提高。為了結合推進性能數(shù)據(jù)對納米碳粉提高聚合物靶材推進性能的原因進行更準確的分析，并對局部熱區(qū)的推論進行驗證，采用陰影觀測系統(tǒng)對噴射羽流進行分析。

選取圖8中納米碳粉摻雜前后的GAP靶材，選擇推進性能較優(yōu)的工況，在激光功率密度3.2×109W/cm2下采集燒蝕羽流圖像，如圖9所示。

圖中可以看出，未摻雜的GAP的噴射產物氣化程度非常低，有大塊未完全燒蝕的靶材低速噴出。摻雜納米碳粉后的GAP燒蝕羽流則不同，以爆炸的形式高速噴射。束縛中心燒蝕區(qū)的外層靶材在中心高溫高壓燒蝕區(qū)的快速膨脹下先被沖出，中心燒蝕區(qū)的物質隨后噴出，與面吸收特性的分析結果符合。

由于高速相機難以拍攝到噴射產物中的氣態(tài)物質或等離子體，無法確定摻雜納米碳粉是否提高了GAP燒蝕的氣化和離化程度。在圖9中可以看到，摻雜納米碳粉的GAP在1 μs后，有發(fā)光物質從燒蝕坑中飛出，該發(fā)光物質可能為未來得及完全離化分解的團聚的碳粉顆粒。吸收激光能量后的納米碳粉溫度極高，在圖像上表現(xiàn)出發(fā)光發(fā)亮。由于從激光作用到噴射完成僅有數(shù)十微秒的時間，正處于離化分解過程中的納米碳粉被相機記錄下來。

摻雜的納米碳粉吸收激光能量形成溫度遠高于聚合物本身的局部熱區(qū)，這些分散分布的熱區(qū)促進聚合物的氣化和離化分解也是納米碳粉提高聚合物靶材推進性能的根本原因。

3 靶材厚度對推進性能的影響

摻雜納米碳粉的聚合物靶材表現(xiàn)出面吸收特性，透射式激光燒蝕模式下，可將轉化為微推力器推力的工質分為兩部分：第一部分，靠近基底的工質燒蝕產生氣化和離化氣團；第二部分，位于后方的工質被高溫高壓氣團沖出，這部分工質由于吸收的激光能量少，燒蝕不完全，以液態(tài)或固態(tài)顆粒狀的形式噴出，噴射速度低。隨著靶材厚度的增加，第二部分工質雖然有提供外層約束增加激光能量吸收時間和促進化學能釋放的作用，但過多的未完全燒蝕的工質也降低靶材的整體噴射速度。

3.1 不同厚度靶材的推進性能分析

根據(jù)上節(jié)中的實驗結果，選取較優(yōu)的納米碳粉摻雜濃度3%，制備多種厚度的靶材進行對比實驗，探索厚度對激光燒蝕GAP靶材的推進性能影響。

圖10為多種厚度下GAP靶材的比沖，在54～184 μm范圍內，比沖隨厚度的增加呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢。這與陳庚等人[19]在大氣下得到的摻雜納米碳粉GAP的噴射速度隨靶材厚度增加(40 μm～100 μm)的變化關系一致。在厚度為54 μm時，摻雜3%納米碳粉的GAP比沖最優(yōu)值超過1500 s。而當靶材的厚度超過54 μm繼續(xù)增加時，外層靶材對中心燒蝕區(qū)的約束力增強，燒蝕區(qū)在噴射前吸收激光能量的時間增加，達到更高的溫度和壓力促進聚合物化學能釋放，但外層靶材的束縛帶來更大的副作用。更多靶材無法完全燒蝕，大量燒蝕產物以低速脫落，使得噴射產物的整體速度降低，比沖下降。

圖11給出了不同厚度下GAP靶材的沖量耦合系數(shù)。在激光功率密度低于2.3×109W/cm2時，隨著靶材厚度的增加，GAP的沖量耦合系數(shù)最優(yōu)值表現(xiàn)出明顯的降低和滯后。在厚度為54μm時，聚合物的沖量耦合系數(shù)最大值接近600 N/mV，所需要的激光功率密度為5×108W/cm2，而厚度為184μm的靶材，最優(yōu)值為350 N/mW，僅為前者的一半，且所需的激光功率密度達2.3×109W/cm2。較厚的靶材對激光功率提出了更高的要求，且性能并未提高。沖量耦合系數(shù)反映的是靶材對激光能量的利用效率，較薄的靶材能更有效的將激光能量轉化為靶材的反噴推力，而靶材厚度增加后，外層靶材對燒蝕中心的束縛力明顯增強，在激光脈寬不變的情況下，低激光功率密度下靶材吸收能量形成的高壓區(qū)無法突破外層靶材的束縛，需要更高的激光能量。另一方面，3%摻雜濃度下GAP靶材的吸收深度一定，隨著靶材厚度的增加，在激光方向上，未燒蝕靶材的比重增加，使得較厚靶材的沖量耦合系數(shù)最優(yōu)值低于較薄靶材。

圖12為不同厚度下GAP的能量轉化效率。隨著厚度的增加，GAP靶材的能量轉化效率表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，在厚度為54 μm時，取得超過250%的高能量轉化效率。并且在較寬的功率密度范圍內表現(xiàn)穩(wěn)定。該厚度下，外層靶材束縛增強激光能量在聚合物中的沉積和化學能在高溫高壓條件下進一步釋放相互促進，激光能量和靶材的化學能充分轉化為噴射產物動能。而較厚的靶材，外層靶材的束縛作用對推進性能產生副作用，未充分燒蝕的工質增加，使推進性能降低。

李龍[20]等人采用4.74×104W/cm2功率密度的激光在大氣環(huán)境下對厚度25 μm的含能工質雙基藥進行推進性能測量時，得到的最優(yōu)能量轉化效率高達316%。而本次實驗中在激光功率密度超過108W/cm2才開始產生沖量，可以看出真空環(huán)境下靶材的燒蝕閾值更高，對激光器功率提出了更高的要求。

總的來說，摻雜納米碳粉后的聚合物GAP表現(xiàn)出類似金屬靶材的面吸收特性，使GAP的推進性能隨著厚度的增加而減低。透射式下，厚度較低的靶材只需要較低的激光功率密度就能達到最優(yōu)性能；靶材的厚度越大，外層靶材對燒蝕區(qū)的約束力越大，聚合物產生噴射所需要吸收的激光能量更多，且厚度增加后，未完全燒蝕的靶材增加，降低了靶材的推進性能。從提高激光燒蝕微推力器性能的角度看，適合選擇較薄的摻雜納米碳粉的聚合物靶材。

3.2 不同厚度靶材的噴射羽流分析

在推進性能分析中，認為摻雜納米碳粉的GAP靶材的厚度增加，未完全燒蝕的工質增加，使推進性能下降。下面通過采集的噴射羽流圖像從微觀角度驗證上述的分析。

選擇與圖10～12數(shù)據(jù)中相近的三種厚度的靶材，分別為54 μm、107 μm和176 μm，分析厚度對噴射羽流的影響。噴射羽流圖像在激光功率密度2.0×109W/cm2下采集，如圖13所示。

從500 ns時刻的羽流圖像曝光1 μs留下的拖影可以看出，厚度為54 μm的GAP靶材，噴射產物的速度明顯高于厚度為107 μm和176 μm靶材的噴射速度，且僅有少量的黑色顆粒物噴射。而隨著厚度的增加，噴射產物中未完全分解的氣態(tài)和固態(tài)物質明顯增加。在厚度為107 μm和176 μm靶材噴射羽流的前端可見大塊的黑色物質，這部分靶材在面吸收特性的影響下無法吸收激光能量而充分分解，為中心燒蝕區(qū)膨脹過程中被沖出的外層靶材。采集的噴射羽流圖像與上述靶材厚度對推進性能的影響分析符合的很好。

4 結 論

本文從不同的摻雜濃度、靶材厚度和激光燒蝕模式分析了納米碳粉摻雜對激光燒蝕GAP靶材推進性能的影響，探索了發(fā)揮納米碳粉摻雜優(yōu)勢所需要的條件。研究表明，透射式下，摻雜納米碳粉后GAP推進性能大幅提升，但不隨摻雜濃度的增加而顯著提高。納米碳粉吸收激光能量后形成的局部熱區(qū)是聚合物靶材推進性能提高的主要原因。摻雜高濃度納米碳粉的GAP對激光的吸收深度降低，表現(xiàn)出類似金屬靶材的面吸收特性。較薄的摻雜納米碳粉的GAP對激光能量和工質的利用率更高，適合作為激光燒蝕微推力器的靶材。