段卜仁，章皓男，華佐豪，吳立志，3，鮑紫荊，郭 寧，葉迎華，3，沈瑞琪，3

（1. 南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 南京理工大學(xué) 空間推進(jìn)技術(shù)研究所，江蘇 南京 210094；3. 微納含能器件工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；4. 上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109）

1 引言

微納衛(wèi)星作為微電子、微機(jī)械、先進(jìn)材料以及計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)集成的產(chǎn)物，具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短等特點(diǎn)［1-2］。與此同時(shí)，微納衛(wèi)星的靈活性、分散性和生存能力強(qiáng)，通過編隊(duì)組網(wǎng)，微納衛(wèi)星能夠完成與大衛(wèi)星幾乎相同的任務(wù)，因此過去十幾年來，由中大型衛(wèi)星承擔(dān)的空間任務(wù)逐漸改為由小衛(wèi)星或微衛(wèi)星所承擔(dān)［3-5］。受限于自身的體積與質(zhì)量，微納衛(wèi)星無法攜帶大型的推進(jìn)系統(tǒng)，但由于需要經(jīng)常執(zhí)行變軌、編隊(duì)飛行及姿態(tài)調(diào)整等任務(wù)，微納衛(wèi)星需要具備靈活的推力控制，特別是隨機(jī)控制的能力，這對于微納衛(wèi)星所攜帶的微推進(jìn)系統(tǒng)提出了更高的要求［6］。傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)中使用的固體推進(jìn)劑在點(diǎn)火后通常為自持燃燒，不具備重復(fù)啟動和可控燃燒的能力，只能通過改變藥劑配方或推力器結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)推力的控制，因此難以應(yīng)用于小型航天器的推進(jìn)系統(tǒng)中［7-8］。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器在體積、重量不斷縮小的情況下，能夠具備更高的能量轉(zhuǎn)化效率，因此將激光用于化學(xué)推進(jìn)以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的可控燃燒成為了一種可能。針對上述設(shè)想，國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)從推進(jìn)劑的配方、裝藥結(jié)構(gòu)以及作用方式等方面開展了大量的研究，成功實(shí)現(xiàn)了固體化學(xué)推進(jìn)劑的可控燃燒與可調(diào)推力。

1998 年，美國C. R. Phipps 課題組［9-10］設(shè)計(jì)了一種毫秒級脈寬的激光燒蝕微推力器，推力器采用二極管激光作為光源，固體推進(jìn)劑和襯底被加工為帶狀結(jié)構(gòu)。推力器工作時(shí)，惰性電機(jī)可帶動“靶帶式”推進(jìn)劑向前或向后移動，保證了推進(jìn)劑在激光燒蝕過程中的連續(xù)供給。該推力器屬于脈沖作用模式，能夠?qū)崿F(xiàn)推力的任意開關(guān)，同時(shí)可以通過改變激光功率、脈寬等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對于推力的精確控制。2017 年，航天工程大學(xué)的洪延姬等［2，11］提出了一種碟片式激光燒蝕微推力器，不同于“靶帶式”結(jié)構(gòu)，推進(jìn)劑被均勻的涂覆于圓盤襯底表面，當(dāng)推力器工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和平動電機(jī)可驅(qū)動盤狀工質(zhì)變換燒蝕位置，這樣的供給方式避免了“靶帶式”推進(jìn)劑頭尾連接困難以及振動等缺點(diǎn)。上述微推力器的作用方式均屬于透射燒蝕模式，可以很好地保護(hù)光學(xué)器件不受燒蝕產(chǎn)物的污染，同時(shí)由于推力器不需要噴管等結(jié)構(gòu)，因此推力器的結(jié)構(gòu)較為簡單，但受到自身作用方式的限制，其比沖與沖量耦合系數(shù)等推力性能參數(shù)也相對較低。

2012 年，日本宮崎大學(xué)的Kakami 團(tuán)隊(duì)［12-14］設(shè)計(jì)了一種反射式微推力樣機(jī)，該樣機(jī)由半導(dǎo)體激光、玻璃燃燒室以及步進(jìn)電機(jī)等組成。在激光的輻照下固體推進(jìn)劑開始燃燒，步進(jìn)電機(jī)帶動光纖隨著推進(jìn)劑的燃面后移，確保了推進(jìn)劑的持續(xù)燃燒。這種工作模式實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的燃燒控制，提高了推力器的作用時(shí)間，并增大了推力的可調(diào)范圍。但上述推力器由于引入了步進(jìn)電機(jī)等傳動裝置，使得推力器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，增加了實(shí)際的應(yīng)用難度。2016 年，南京理工大學(xué)的沈瑞琪團(tuán)隊(duì)［15］提 出 了 激 光 增 強(qiáng) 化 學(xué) 推 進(jìn)（Laser-Augmented Chemical Propulsion，LACP）的概念，并設(shè)計(jì)了一種反射式微推力器樣機(jī)。樣機(jī)采用半導(dǎo)體激光作為光源直接照射推進(jìn)劑表面，推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的氣體沿激光入射方向流動，并由推力器上方的噴口噴出，產(chǎn)生推力。相比于步進(jìn)電機(jī)帶動光纖移動的燒蝕方式，這種模式使得激光控制推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)的轉(zhuǎn)換變得更加靈活，避免了光纖移動帶來的麻煩，實(shí)現(xiàn)了推力器結(jié)構(gòu)的一體化。本研究在LACP 的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種燃速可調(diào)控的光控固體推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)了固體推進(jìn)劑在激光輻照下的可控燃燒；同時(shí)通過相應(yīng)燃燒性能測試與推力測試得到了光控固體推進(jìn)劑在不同激光功率密度下的燃速、點(diǎn)火延遲時(shí)間、火焰溫度以及推力等性能參數(shù)，為激光增強(qiáng)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了重要參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 光控固體推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用的光控固體推進(jìn)劑主要由60%～70%過氯酸銨作為氧化劑（阿拉丁，AR）、15%～25%五氨基四唑作為產(chǎn)氣劑（洛陽黎明化工研究院，AR）、1%～5%納米碳粉作為吸光劑（阿拉丁，AR）以及其他小組分添加劑配制而成。上述試劑分別經(jīng)過球磨、振篩并在瑪瑙研缽中通過機(jī)械方式混合，隨后將試劑加入丙酮溶劑中，采用磁力攪拌的方式使各組分均勻混合，最后通過粉末壓片的方法壓制成推進(jìn)劑藥柱。推進(jìn)劑藥柱的直徑為6.0 mm，長度為15.0 mm，密度為1.52 g·cm-3。

X 射線三維顯微鏡（μCT）是通過利用物質(zhì)對射線（常用的是X 射線）的吸收率和透過率不同的成像原理，對樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷層掃描，能夠獲得掃描物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體和斷面圖像。為了表征推進(jìn)劑藥柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用X 射線三維顯微鏡（SANYANG nanoVoxel-2000，拍攝幀率：720 fps）拍攝了如圖1 所示的推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，可以看出，推進(jìn)劑內(nèi)部各組分顆粒緊密結(jié)合，說明上述方法制備方法較好地抑制了推進(jìn)劑內(nèi)部孔隙和裂縫的形成。

圖1 光控固體推進(jìn)劑實(shí)物圖與X 射線三維顯微鏡（μCT）拍攝圖Fig.1 Optical and X-ray micro-computed tomography（μCT）images of the laser-controlled solid propellant

研究固體推進(jìn)劑在激光輻照下的燃燒，其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是增加藥劑表面對激光的吸收率，提高藥劑的激光感度［16］。因此，藥劑表面對激光的反射率是一個(gè)十分重要的物理參數(shù)。本研究采用近紅外光譜儀測試系統(tǒng)（AvaSpec-NIR256-1.7）對光控固體推進(jìn)劑在330～1100 nm 波長范圍內(nèi)的激光反射率進(jìn)行了測量，系統(tǒng)中包含的積分球測試裝置的積分時(shí)間為10 μs～500 ms，信噪比為1900∶1，測試分辨率為2.0～50 nm。圖2 為制備的固體推進(jìn)劑藥柱在500～1000 nm 波長的激光反射率曲線。實(shí)驗(yàn)中采用的半導(dǎo)體激光器波長為808 nm，可以看出，推進(jìn)劑在808 nm 波長時(shí)對應(yīng)的激光反射率僅為9.46%，這表明制備的固體推進(jìn)劑能夠吸收足夠的激光能量并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)能。

圖2 光控固體推進(jìn)劑的激光反射率曲線Fig.2 Laser reflectivity curve of the laser-controlled solid propellant

2.2 燃燒實(shí)驗(yàn)及裝置

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種適用于LACP 的微推力器樣機(jī)，微推力器由激光準(zhǔn)直鏡頭、光學(xué)透窗、透明燃燒室等組成，其原理圖如圖3a 所示。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后通過光學(xué)窗口照射到推進(jìn)劑表面，隨后，推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高溫氣體和火焰沿激光束的入射方向流出，最終通過上方的噴嘴噴出，產(chǎn)生推力。實(shí)驗(yàn)中，為了便于推進(jìn)劑的儲存與裝配，推進(jìn)劑藥柱放置于石英玻璃管內(nèi)并一同放入微推力器中，同時(shí)，在準(zhǔn)直鏡頭前方設(shè)置了光學(xué)窗口以防止燃燒產(chǎn)物對準(zhǔn)直鏡頭造成損傷。如圖3b 所示，為了便于觀察推進(jìn)劑的燃燒狀態(tài)，微推力器樣機(jī)采用透明石英玻璃制成，其尺寸為34 mm×34 mm×72 mm。

圖3 基于反射模式的微推力器樣機(jī)Fig. 3 Prototype of micro-thruster based on the reflection mode

圖4 為推進(jìn)劑燃燒性能實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的示意圖，實(shí)驗(yàn)中采用波長808 nm、額定功率100 W 的光纖耦合半導(dǎo)體激光器（WPL2-80810-100W）作為光源，激光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后形成為直徑6.0 mm 的平行光束，準(zhǔn)直后的平行激光束功率通過100 W 量程的激光功率計(jì)（VEGA-LP100）進(jìn)行測量。采用高精度壓力傳感器（HR-MPS，量程：0.1 MPa），并通過噴嘴附近的接口測量了微推力器的燃燒室壓強(qiáng)。與此同時(shí)，采用R型（Pt/13% Rh-Pt）熱電偶（OMEGA P13R-002）測試了推進(jìn)劑在燃燒過程中的溫度分布。激光輸出信號、燃燒室壓強(qiáng)信號以及熱電偶測溫信號由數(shù)字示波器（TEKTRONIX MDO3000）同步采集。推進(jìn)劑的燃燒過程通過高速攝影（Redlake HG-100）以1000 fps·s-1的幀率記錄。此外，通過自行設(shè)計(jì)的外部控制電路，可以實(shí)現(xiàn)對激光器開/關(guān)的編程控制。通過上述測試裝置，可以得到不同激光功率密度下光控固體推進(jìn)劑的燃速、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒室壓強(qiáng)以及燃燒火焰溫度等燃燒性能參數(shù)。

圖4 光控固體推進(jìn)劑燃燒性能測試裝置Fig.4 Measurement setup of combustion performance for the laser-controlled solid propellant

2.3 微推力測試平臺

不同于脈沖作用模式，對于連續(xù)作用模式下的光控固體推進(jìn)劑，應(yīng)測量其在穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的推力，因此，基于扭擺式結(jié)構(gòu)［17］，設(shè)計(jì)了一種微推力測試平臺，測試平臺的分辨率為0.01 mN，可測量0.01～100 mN 范圍內(nèi)的推力，圖5 為微推力測試平臺的原理圖。測試平臺主要由撓性軸、彈性元件、激光位移傳感器、電磁阻尼器、配重、以及標(biāo)定系統(tǒng)等組成。根據(jù)微推力器的質(zhì)量和安裝位置，可以通過調(diào)整配重大小來保持裝置的重心與轉(zhuǎn)軸的中心重合。與此同時(shí)，電磁阻尼器可以有效地降低環(huán)境和噪聲等因素對微推力測試的干擾。

圖5 扭擺式微推力測試平臺［17］Fig.5 Micro-thrust test bench based on a torsion pendulum［17］

微推力測試平臺的測量原理為：將微推力器放置于扭擺擺臂一端，當(dāng)微推力器作用時(shí)，安裝于豎直轉(zhuǎn)軸兩端的撓性軸發(fā)生轉(zhuǎn)動隨即產(chǎn)生回復(fù)力，此時(shí)，安裝于擺臂兩端的彈性元件受到擠壓后將產(chǎn)生一個(gè)微小位移，隨后通過激光位移傳感器測量此位移值，最后根據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)可以將測量得到的位移值轉(zhuǎn)化為所需的微推力。微推力測試平臺的標(biāo)定系統(tǒng)采用電磁力標(biāo)定法［18］，系統(tǒng)由線圈與永磁鐵組成，通過線圈電磁鐵提供標(biāo)定力，根據(jù)標(biāo)定系統(tǒng)可以得到推力F（mN）與位移值A(chǔ)（μm）間的關(guān)系：

式中，a，b分別為與永磁鐵和線圈電磁鐵有關(guān)的參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 光控固體推進(jìn)劑燃燒性能分析

利用高速攝影拍攝得到的光控固體推進(jìn)劑在激光輻照下的燃燒過程如圖6a 所示，推進(jìn)劑的燃速可通過比較不同時(shí)刻下燃面的位置獲得，實(shí)驗(yàn)中測試的燃速為平均燃速，即從推進(jìn)劑燃燒開始到結(jié)束時(shí)的平均燃燒速率。圖6b 為燃燒期間示波器同步采集的數(shù)據(jù)，其中紅色矩形曲線為激光輸出信號，黑色曲線表示微推力器的燃燒室壓強(qiáng)?？梢钥吹?，激光作用后，點(diǎn)火壓強(qiáng)峰存在明顯的滯后現(xiàn)象。通常，固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間是指激光輻照到燃燒開始時(shí)的時(shí)間間隔，但是，由于激光輻照與推進(jìn)劑的發(fā)火時(shí)刻不易觀察，因此在實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火壓強(qiáng)峰的起始時(shí)刻被認(rèn)為是推進(jìn)劑開始燃燒的信號，即激光輸出信號與點(diǎn)火壓強(qiáng)峰之間的時(shí)間間隔被定義為點(diǎn)火延遲時(shí)間。與此同時(shí)，將推進(jìn)劑達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后的平均燃燒室壓強(qiáng)定義為平臺壓強(qiáng)。

圖6 不同激光功率密度下的燃速、點(diǎn)火延遲時(shí)間與燃燒室壓強(qiáng)Fig.6 Burning rate，ignition delay time and chamber pressure results under different laser power densities

圖6c 分別為不同激光功率密度IL（W·mm-2）下推進(jìn)劑的燃速u（mm·s-1），點(diǎn)火延遲時(shí)間tign（s）與燃燒室平臺壓強(qiáng)pc（kPa），其中的誤差棒分別代表三次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)簡化的傅里葉模型［19-20］，推進(jìn)劑的燃速與激光功率之間的關(guān)系可以表示為：

其中，m為質(zhì)量燃燒速率，m=ρu，kg·m-2·s-1；c為T0至Ts溫度 范圍內(nèi)的平均比熱，kJ·kg-1·K-1；ρp為推進(jìn)劑的密度，g·cm-3；q為外部輻射通量，MW·m-2；qg為氣相反應(yīng)反饋到凝聚相的熱通量，MW·m-2；Ts為推進(jìn)劑燃燒表面溫度，K；T0為推進(jìn)劑初始溫度，K；Qs為凝聚相反應(yīng)熱，MJ·kg-1；a，b分別為燃速u與外部輻射通量q之間的線性相關(guān)系數(shù)。

從圖6c 中可以看出，推進(jìn)劑的燃速隨激光功率密度的增加而線性升高，通過擬合得到的推進(jìn)劑燃速與激光功率密度之間的關(guān)系如（7）式所示，線性擬合的結(jié)果與函數(shù)u=u（a，b，q）具有較高的一致性。

推力器燃燒室的平臺壓強(qiáng)與燃速隨激光功率密度的變化規(guī)律相似。隨著激光功率密度的增加，推進(jìn)劑的燃速升高，單位時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體量增加，燃燒室的平臺壓強(qiáng)也隨之升高。兩者對應(yīng)的關(guān)系如式（8）所示：

從圖6c 中可以看出，推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著激光功率密度的增加而減小，通過擬合得到的點(diǎn)火延遲時(shí)間與激光功率密度IL之間的關(guān)系如式（9）所示：

固體推進(jìn)劑在激光輻照下的點(diǎn)火通常可分為三個(gè)區(qū)域［21］。第一個(gè)區(qū)域，推進(jìn)劑在激光輻照下首先進(jìn)行惰性加熱，在加熱過程中推進(jìn)劑的表面溫度持續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，推進(jìn)劑表面開始溢出氣體，推進(jìn)劑在此區(qū)域所經(jīng)歷的時(shí)間稱為第一汽化時(shí)間，tGE（first gas evolution time）。隨著時(shí)間的增加，激光持續(xù)的加熱使得更多的氣體從推進(jìn)劑表面溢出，熱解氣體的放熱反應(yīng)最終導(dǎo)致第一縷可見光的形成，因此，第二個(gè)區(qū)域的特征可表示為第一發(fā)光時(shí)間，tLE（first light emission time）。在第三個(gè)區(qū)域，能量的不斷積累使得推進(jìn)劑最終達(dá)到點(diǎn)火邊界，隨后保持穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。推進(jìn)劑在上述三個(gè)區(qū)域內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間即為點(diǎn)火延遲時(shí)間，tign。

隨著激光功率密度的增加，推進(jìn)劑惰性加熱和氣體溢出的速率升高，使得推進(jìn)劑在第一區(qū)域和第二區(qū)域內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間顯著縮短，即tGE、tLE顯著縮小。與此同時(shí)，“冷環(huán)境氣體效應(yīng)”也是顯著影響固體推進(jìn)劑點(diǎn)火延遲時(shí)間的另一個(gè)重要因素［21-22］。化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將有部分損失至推進(jìn)劑表面附近的“冷”氣體中，這種熱量的損失極大的抑制了推進(jìn)劑到達(dá)著火邊界。隨著激光功率密度的增加，熱解氣體的高產(chǎn)率可以有效地抑制“冷環(huán)境氣體效應(yīng)”引起的熱損失，從而進(jìn)一步縮短了第一縷可見光形成所需的時(shí)間（tLE）。從上述分析可以看出，在較高的激光功率密度下，推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲時(shí)間將呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

3.2 燃燒火焰結(jié)構(gòu)分析

光控固體推進(jìn)劑在激光輻照下的燃燒是一個(gè)較為復(fù)雜的物理化學(xué)過程，圖7a 為激光功率1.343 W·mm-2時(shí)，由R 型熱電偶測試得到的燃燒過程溫度曲線。根據(jù)溫度曲線并結(jié)合推進(jìn)劑在燃燒過程中的火焰結(jié)構(gòu)，可以推斷出光控固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理。如圖7b 所示，將推進(jìn)劑的燃燒過程詳細(xì)分為了五個(gè)區(qū)域：

（1）預(yù)熱區(qū)：此區(qū)域距離燃燒表面較遠(yuǎn)，無法直接吸收激光能量，導(dǎo)致該區(qū)域的溫度梯度較低，熱傳導(dǎo)較小，因此，該區(qū)域不足以分解成凝聚相并釋放化學(xué)能。

（2）凝聚相區(qū)：激光輻射能量的吸收使得該區(qū)域的溫度升高，推進(jìn)劑中的主要組分（AP、5-ATZ）熔化并開始分解，同時(shí)釋放部分熱量，生成中間產(chǎn)物，如NH3、HClO4、HN3與NH2CN 等［23-24］。

（3）三相區(qū)：此區(qū)域完全暴露在激光的輻照下，并由凝聚相、熔融相和氣相共同組成。該區(qū)域不僅經(jīng)歷了多重相變，同時(shí)還發(fā)生了復(fù)雜并且劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)，特別是中間產(chǎn)物的進(jìn)一步熱解，極大地促進(jìn)了如N2、NO、NO2、OH、H2、H2O、HCN、HCl、Cl、NH3與CO2等物質(zhì)的生成，隨后熱分解的產(chǎn)物從該區(qū)域中噴出［23-24］。

（4）氣相區(qū)：從圖7b 中的溫度曲線可以看出該區(qū)域的溫度急劇下降。氣相區(qū)的形成類似于傳統(tǒng)雙基推進(jìn)劑中燃燒波暗區(qū)形成的機(jī)理，暗區(qū)的本質(zhì)是近表面反應(yīng)區(qū)與發(fā)光火焰區(qū)之間的距離，也就是表面反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)形成發(fā)光火焰的準(zhǔn)備［25］；隨著推進(jìn)劑中高能物質(zhì)含量的升高，推進(jìn)劑的燃速升高，氣體的反應(yīng)速率加快，熱效應(yīng)增加，使得達(dá)到發(fā)光火焰的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，表現(xiàn)為暗區(qū)厚度降低。因此，AP 及其他高能物質(zhì)的添加會導(dǎo)致暗區(qū)變薄且溫度下降［25-26］。光控固體推進(jìn)劑的主體氧化劑為AP，并且包含了含氮量較高的5-ATZ 等物質(zhì)，使得在傳統(tǒng)暗區(qū)中的氣體含量（如N2、H2、CO2等）顯著升高，導(dǎo)致暗區(qū)消失并形成了特有的氣相區(qū)。從圖7 中的高速攝影圖片也可以看出存在明顯的氣相區(qū)。氣相區(qū)的形成伴隨著快速的質(zhì)量傳遞以及劇烈的汽化與升華，使得總體的內(nèi)能減少，動能增加，最終導(dǎo)致了氣相區(qū)的溫度出現(xiàn)明顯下降。此外，熱分解的產(chǎn)物從三相區(qū)噴出后，開始在該區(qū)域發(fā)生擴(kuò)散。

（5）火焰區(qū)：一旦熱分解的產(chǎn)物均勻擴(kuò)散，就會在氣相區(qū)的邊緣形成擴(kuò)散火焰，并伴隨著溫度的急劇升高［27］。此外，如圖7a所示，激光功率密度為1.343 W·mm-2時(shí)，推進(jìn)劑的燃燒火焰溫度為1202.3 ℃。

圖7 光控固體推進(jìn)劑在燃燒過程中的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the laser-controlled solid propellant during combustion

3.3 微推力性能分析

推力測試在大氣環(huán)境下進(jìn)行。測試過程中，微推力測試平臺位于隔振平臺上，并且加以有機(jī)玻璃罩以減小環(huán)境振動、空氣流動等外界因素對測試的影響。根據(jù)微推力測試平臺標(biāo)定系統(tǒng)得到推力F與位移值A(chǔ)之間的關(guān)系如（10）式所示：

典型的微推力測試結(jié)果如圖8 所示，在激光輻照過程中，推進(jìn)劑燃燒引起的推力變化成功的被測試平臺所記錄。測試過程采用推力器與推力測試平臺固連的直接測試方法［28］，從圖8 中可以看出，雖然推力曲線存在一定的振蕩，但推進(jìn)劑在燃燒過程中保持了一個(gè)相對穩(wěn)定的推力平臺，因此，推力測試的過程與結(jié)果均符合穩(wěn)態(tài)推力測試［29］的測量原理。此外，實(shí)驗(yàn)中，選取位移曲線的平臺位移值作為A從而計(jì)算推力F。

圖8 典型的微推力測試曲線Fig.8 Typical displacement curves during the micro-thrust test

不同激光功率密度下，微推力的變化規(guī)律如圖9所示。從圖9 中可以看出，測試結(jié)果的重復(fù)性誤差相對較大，其主要是由于藥劑本身存在一定的吸濕性，導(dǎo)致測試中推進(jìn)劑藥柱的密度存在差異；另一方面，微推力測試裝置中彈性元件的彈性系數(shù)較大，同時(shí)，激光器等設(shè)備自身存在噪聲與振動，這些因素均會對測試精度產(chǎn)生影響。盡管如此，隨著激光功率密度的升高，光控固體推進(jìn)劑的微推力仍呈現(xiàn)明顯上升趨勢。在激光功率密度為0.344 W·mm-2時(shí)，推力為1.58 mN，隨著激光功率密度上升到1.343 W·mm-2，推力也相應(yīng)升高至2.28 mN。激光功率密度的增加顯著提高了推進(jìn)劑的燃速，使得推進(jìn)劑凝聚相反應(yīng)的速率增加，加速了推進(jìn)劑燃燒區(qū)域的分解、汽化與升華，最終導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的氣體含量升高。雖然光控固體推進(jìn)劑自身所含的化學(xué)能一定，但燃速的升高，加快了化學(xué)反應(yīng)的速率，縮短了作用時(shí)間，提高了推進(jìn)劑的質(zhì)量流率，增大了推力。此外，通過激光反射率的測試可以看出，光控固體推進(jìn)劑能夠有效的吸光激光能量，并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)能，因此激光功率密度的升高也將促進(jìn)推進(jìn)劑對于激光能量的吸收。文獻(xiàn)［15］中也得到了推力F∝ρpbArq（Ar為激光輻照推進(jìn)劑表面的面積）的結(jié)論。通過上述分析可以看出，光控固體推進(jìn)劑的推力將隨激光功率密度的增加而增加，與此同時(shí)，光控固體推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)對于激光功率密度的依賴性對于實(shí)現(xiàn)推力的控制具有重要意義。

圖9 不同激光功率密度下的微推力Fig.9 Micro-thrust results under different laser power densities

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制備了一種適用于激光燒蝕推進(jìn)的光控固體推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)了固體推進(jìn)劑在激光輻照下的可控燃燒與可調(diào)推力；通過搭建的燃燒性能測試平臺以及微推力測試平臺，研究了光控固體推進(jìn)劑的燃燒特性以及推力性能，主要結(jié)論如下：

（1）隨著激光功率密度由0.177 W·mm-2升高至0.884 W·mm-2，推進(jìn)劑的燃速由0.905 mm·s-1線性升高至1.485 mm·s-1，點(diǎn)火延遲時(shí)間由0.742 s 下降至0.120 s，燃燒室壓強(qiáng)由1.014 kPa線性升高至1.691 kPa。

（2）光控固體推進(jìn)劑的燃燒過程可分為五個(gè)區(qū)域：預(yù)熱區(qū)、凝聚相區(qū)、三相區(qū)、氣相區(qū)以及火焰區(qū)；此外，當(dāng)激光功率為1.343 W·mm-2時(shí)，推進(jìn)劑的燃燒火焰溫度為1202.3 ℃。

（3）激光功率密度為0.344 W·mm-2時(shí)，光控固體推進(jìn)劑的推力為1.58 mN，隨著激光功率密度上升到1.343 W·mm-2，其推力升高至2.28 mN。

光控固體推進(jìn)劑燃燒狀態(tài)對于激光功率密度的依賴性是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)以及燃燒控制的基礎(chǔ)，同時(shí)對于實(shí)現(xiàn)推力的精確控制具有重要的意義。