詹玉豪， 李南雷

（航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系激光推進(jìn)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 101416）

0 引言

激光推進(jìn)作為一種全新概念的航天推進(jìn)技術(shù)， 受到各航天大國(guó)高度重視， 紛紛投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行研究。通過(guò)大量理論和實(shí)踐證明，將激光燒蝕微推進(jìn)和脈沖等離子體電推進(jìn)相結(jié)合， 能夠解決激光燒蝕微推進(jìn)比沖小，脈沖等離子體電推進(jìn)火花塞積碳等問(wèn)題，將兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一種新型微推力技術(shù)，在微小衛(wèi)星上具有良好的應(yīng)用前景。

激光加電組合推進(jìn)是在脈沖等離子體推進(jìn)和激光燒蝕微推進(jìn)的基礎(chǔ)上提出的一種新型微推進(jìn)技術(shù)， 最早由日本東海大學(xué)Horisawa 提出，可分為激光加靜電組合推進(jìn)和激光加電磁組合推進(jìn)[1-3]。 其中激光加電磁組合推進(jìn)是利用感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)激光燒蝕等離子體進(jìn)一步加速的一項(xiàng)技術(shù)。 該技術(shù)的工作原理為：在推進(jìn)器工作前，首先利用高壓電源為電容充電，通常為幾千V，然后在激光燒蝕推進(jìn)劑產(chǎn)生等離子體后， 推進(jìn)器電極在高壓作用下?lián)舸┓烹?，并形成感?yīng)磁場(chǎng)，極板放電過(guò)程中產(chǎn)生高溫會(huì)進(jìn)一步促使推進(jìn)劑產(chǎn)生等離子體， 這些等離子體在電磁場(chǎng)作用下反向噴出形成推力。 激光加電磁組合推進(jìn)根據(jù)推力器電容儲(chǔ)能和激光能量的大小可劃分為多種類型的推力器：①純電推進(jìn)（PPT），其激光能量為0；②激光支持的電推進(jìn)（LS-PPT），電容儲(chǔ)能遠(yuǎn)大于激光能量；③純激光推進(jìn)，電容儲(chǔ)能為0；④電磁輔助的激光推進(jìn)，激光能量遠(yuǎn)大于電容儲(chǔ)能[4]。 本文主要研究第二種情況，也可稱為激光支持的脈沖等離子體推進(jìn)（LS-PPT）。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

LS-PPT 的試驗(yàn)平臺(tái)主要包括激光加電組合推進(jìn)器裝置、能源設(shè)備、測(cè)量裝置、輔助裝置等。 激光加電組合推進(jìn)器包括靶材、電容、電極等元器件；能源設(shè)備包括激光器、高壓電源等；測(cè)量裝置包括沖量測(cè)量裝置、光學(xué)測(cè)量裝置、電測(cè)量裝置等；輔助裝置包括真空艙、電位移臺(tái)等[5-7]。

LS-PPT 試驗(yàn)分為推力性能測(cè)量和光學(xué)測(cè)量， 如圖1所示，在推進(jìn)性能測(cè)量中，推進(jìn)器裝置和扭擺系統(tǒng)布置在真空艙內(nèi)， 推進(jìn)器安裝在扭擺系統(tǒng)上進(jìn)行推力參數(shù)的測(cè)量，高壓電源為電容提供高壓能量，DG645 信號(hào)發(fā)射器控制激光器發(fā)射脈沖激光。

圖1 LS-PPT 推進(jìn)性能測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

如圖2 所示， 在光學(xué)測(cè)量中，激光器發(fā)射光束透過(guò)真空艙懸窗照射到真空艙內(nèi)，然后通過(guò)一個(gè)反光鏡和一個(gè)聚焦鏡照射到LSPPT 推進(jìn)器工質(zhì)表面。為了更好的觀察等離子體的運(yùn)動(dòng)情況，將ICCD 高速相機(jī)布設(shè)到推力器側(cè)面， 利用DG645 控制激光器發(fā)射信號(hào)時(shí)間和高速相機(jī)的曝光時(shí)間，由于高速相機(jī)不能連續(xù)曝光，因此推進(jìn)器每工作一次，只能拍攝一個(gè)時(shí)刻的圖像，為觀察LS-PPT中等離子體整個(gè)演變過(guò)程，需要設(shè)置不同曝光時(shí)刻，進(jìn)行重復(fù)拍攝。

圖2 LS-PPT 光學(xué)性能測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

推進(jìn)器裝置主要有電容器、銅制極板、工質(zhì)、塑料支撐架、銅制連接板組成，見(jiàn)圖3。 其中，電容器大小2.0μF，額定電壓3000V。 工質(zhì)選用特氟龍材料，具有成本低廉，化學(xué)穩(wěn)定性高，無(wú)毒環(huán)保，具有良好加工性能等優(yōu)點(diǎn)。 放電室長(zhǎng)、寬、高分別為1×1×2cm。 極板采用銅制材料，具有良好的導(dǎo)電性，安裝工質(zhì)后放電室長(zhǎng)和寬分別是1cm、1cm。

圖3 LS-PPT 推進(jìn)器裝置實(shí)物圖

激光器選用Nimma400 型Nd：YAG 激光器， 見(jiàn)圖4。指標(biāo)參數(shù)為波長(zhǎng)1064nm，脈寬6～8ns，光斑直徑約8mm，工作頻率1～10Hz，內(nèi)控分檔可調(diào)，并留有標(biāo)準(zhǔn)TTL 外控信號(hào)接口，支持外部控制，最大輸出能量450mJ，可根據(jù)激光器工作電壓來(lái)控制脈沖激光能量。

圖4 Nimma400 型激光器

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

LS-PPT 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析注重推力性能與光學(xué)圖像的對(duì)比， 重點(diǎn)研究不同試驗(yàn)條件下等離子體微觀特性變化與推力性能變化的關(guān)系。 推力性能參數(shù)主要有元沖量、比沖、沖量耦合系數(shù)、推力效率等，光學(xué)圖像主要為等離子演變過(guò)程。

2.1 推進(jìn)性能測(cè)量

按照?qǐng)D1 的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，激光點(diǎn)火位置位于工質(zhì)中心，設(shè)置電容充電電壓2000V， 調(diào)節(jié)激光器工作電壓大小來(lái)控制激光能量大小，激光電壓從460V 到700V，對(duì)應(yīng)激光能量從10.1mJ 到364.9mJ 之間， 當(dāng)激光能量小于36.2mJ時(shí)， 推力器不工作， 通過(guò)示波器觀察極板間沒(méi)有電流產(chǎn)生，扭擺位移傳感器沒(méi)有測(cè)得位移偏差。

當(dāng)激光能量大于36.2mJ 時(shí)， 如圖5 所示，LS-PPT 的元沖量在53.0μN(yùn)·s～65.73μN(yùn)·s 之間， 在242.6mJ 附近達(dá)到峰值為65.73μN(yùn)·s，從趨勢(shì)看隨著激光能量的增大元沖量先增大后減小，這可能是因?yàn)檫^(guò)高的激光能量，導(dǎo)致產(chǎn)生等離子體的初始速度過(guò)快， 使放電室內(nèi)初始等離子體的密度減小，從而不利于極板放電，導(dǎo)致后續(xù)等離子體電磁加速效果下降，從而影響元沖量的大小。

圖5 LS-PPT 元沖量隨激光能量大小的變化圖

如圖6、7 所示，LS-PPT 的比沖在225.1s～287.0s 之間，在160.5mJ 附近達(dá)到峰值為287.0s；推進(jìn)效率在1.3%～2.2%之間，在242.6mJ 附近達(dá)到峰值為2.2%。 隨著激光能量的增加，LS-PPT 的比沖、 推進(jìn)效率都隨著激光能量的增大先增大后減小。

圖6 LS-PPT 比沖隨激光能量大小的變化圖

圖7 LS-PPT 推進(jìn)效率隨激光能量大小的變化圖

2.2 光學(xué)測(cè)量

根據(jù)圖2 的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案， 設(shè)置高速相機(jī)曝光時(shí)間5ns，感光增強(qiáng)倍率30 倍，選取不同時(shí)刻，對(duì)LS-PPT 工作全過(guò)程進(jìn)行重復(fù)性拍照，試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，LS-PPT 等離子體的演化過(guò)程大致可分為純激光燒蝕階段、 等離子體電磁加速階段和等離子體消失階段。 純激光燒蝕階段發(fā)生在激光照射工質(zhì)初期，極板放電之前。 0ns 時(shí)激光照射到工質(zhì)，20ns 后發(fā)出耀眼光斑，隨后誘導(dǎo)工質(zhì)產(chǎn)生等離子體， 并成波浪形向外擴(kuò)散，300ns 時(shí)等離子體擴(kuò)散基本結(jié)束，極板和工質(zhì)表面明顯出現(xiàn)亮斑，純激光燒蝕階段結(jié)束。 隨后由于初始等離子體的存在， 兩極板之間開(kāi)始放電，并誘導(dǎo)更多等離子體，工質(zhì)表面和放電室內(nèi)出現(xiàn)大量等離子體， 這些等離子體在感應(yīng)磁場(chǎng)的作用下無(wú)規(guī)則向外噴出。隨著電容放電和等離子體不斷向外擴(kuò)散，放電室內(nèi)等離子體密度不斷減小，在3000ns 后放電室內(nèi)基本沒(méi)有等離子體，在極板背面和螺母上有明顯亮斑，這表明噴出的等離子體一部分附著周邊物體上。 各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間并非完全不一樣，而是隨著激光能量、電容儲(chǔ)能大小的變化而變化。

圖8 LS-PPT 等離子體演變過(guò)程圖

為了對(duì)比不同激光能量對(duì)推進(jìn)性能的影響，選取激光工作電壓為500V、600V、700V，對(duì)應(yīng)激 光 能 量 67.5mJ、215mJ、364.9mJ， 元沖量為56.00μN(yùn)·s、64.92μN(yùn)·s、53.52μN(yùn)·s。 如圖9 所示為不同激光能量下純激光燒蝕階段等離子體演變圖， 圖中可以看出激光能量越大，等離子體擴(kuò)散速度越快，亮度相對(duì)較強(qiáng)。經(jīng)測(cè)量，當(dāng)激光能量為67.5mJ 時(shí)，0～50ns 等離子的平均速度7.60×104m/s，0～170ns， 等離子體平均速度6.29×104m/s；當(dāng)激光能量為215.0mJ 時(shí)，0～50ns 等離子的平均速度1.24×105m/s，0～110ns 等離子體平均速度1.02×105m/s； 當(dāng)激光能量為364.9mJ 時(shí)，0～50ns 等離子的平均速度1.46×105m/s，0～100ns，等離子體平均速度1.10×105m/s。

圖9 不同激光能量下LS-PPT 純激光燒蝕階段等離子變化圖

如圖10 所示為不同激光能量下LS-PPT 電磁加速階段等離子變化圖， 在不同激光能量下等離子變化過(guò)程總體上基本一致，在電磁加速初期，工質(zhì)表面激光點(diǎn)火位置最亮， 等離子體以激光點(diǎn)火位置為中心， 成半月亮形向外擴(kuò)散， 隨后工質(zhì)表面全部變亮， 放電室內(nèi)等離子體數(shù)量劇增， 整個(gè)放電室和極板被等離子體全部點(diǎn)亮， 之后隨著等離子體不斷向外噴出， 放電室內(nèi)等離子逐漸變少。 不同之處在于， 一是從整個(gè)過(guò)程時(shí)間上看， 激光能量越大， 等離子體在放電室存在時(shí)間越長(zhǎng)， 但元沖量最小。 從等離子亮度上來(lái)看，激光能量215.0mJ 時(shí)最亮，其次是67.5mJ，最后是364.9mJ。從等離子體數(shù)量看，激光能量215.0mJ 時(shí)等離子數(shù)量最多，幾乎充滿了放電室，而364.9mJ 時(shí)等離子數(shù)量最少。 綜合對(duì)比可以看出，激光能量為215.0mJ 時(shí)，等離子亮度最強(qiáng)，數(shù)量最多，說(shuō)明極板放電能量最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)元沖量越大。

圖10 不同激光能量下LS-PPT電磁加速階段等離子變化圖

3 結(jié)論

本文對(duì)以特氟龍為工質(zhì)的激光支持的脈沖等離子體推進(jìn)器的推進(jìn)性能和等離子體羽流進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，在推力性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)器的元沖量、比沖、推進(jìn)效率都隨激光能量的增加先增大后減小。 通過(guò)等離子體羽流拍照，我們發(fā)現(xiàn)激光能量越大，初始等離子體速度越快， 但在電磁加速階段等離子體的數(shù)量和亮度與激光能量大小不成正相關(guān)關(guān)系，在激光能量為215.0mJ 時(shí)，等離子體數(shù)量和亮度最強(qiáng)，此情況下推進(jìn)性能參數(shù)也最大。