液体激光烧蚀推进研究现状

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常见推进剂种类固体推进剂固体推进剂具有较大的比冲和冲量耦合系数。并且通过加入含能材料等方式可以加大提高其冲量耦合系数。同时，固体推进剂所需要的输送装置简单可靠。但是固体推进剂由于其性质在点燃后很容易产生碳等元素导致污染航天器其他光学仪器。并且微型航天器需要能够灵活控制每次推进脉冲的能量，而固体推进剂难以满足这一点。 51307

2 气体推进剂

气体推进剂拥有与液体相似的性质。但是气体推进剂由于需要额外的储存设备不适用于微型航天器，同时可靠的气体阀门也难以得到。并且气体相对于固体液体产生的冲量有限，比冲较小，冲量耦合系数也较小。而最近提出的重复放点气体激光烧蚀推进，由于其需要20个脉冲，100j的能量，在能量输出有限的微信航天器上难以实现。

液体推进剂

液体推进剂相对于固体推进剂更容易控制脉冲质量来控制推进脉冲的能量和冲量。并且如果推进剂是水，那么不含碳等元素的水将不会产生污染物，不会对其他仪器产生影响。同时较大的比冲和冲量耦合系数也使液体推进剂成为重要的研究目标。

液体激光烧蚀推进现状

在激光烧蚀推进中首先使用液体作为靶材的是日本东京大学【1~3】。他们在2002年首先制作了水炮靶（WC靶）。水泡靶分为两层结构，第一层是接受激光能量的金属靶材，第二层是覆盖在金属靶上的水层，激光通过水层照射在金属靶上，产生等离子体并引起水层向外喷射。经过YAG激光器的照射，他们测得水炮靶的冲量耦合系数达350dyne/W。而后他们通过改进结构论文网，在水泡靶的基础上得到了水膜炮靶和无金属水泡靶（MFWC靶）。在YAG激光器的照射下他们所研制的这两种靶冲量耦合系数可以达到240dyne/W和368 dyne /W。图1.1是日本学者实验的水靶示意图。

水靶示意图

图1.1 水靶示意图

日本小泉实验室[1~6]研究了新型的液体脉冲等离子体推力器，制作了原理样机并对其性能进行了测试。在能量从3J到13.5J间获得了22到88 µN·s的冲量。并且对液体靶材注射器进行了研究，获得了简单可靠的液体注射装置，每次脉冲质量可达到3µg。图1.2是小泉实验室制作的液体靶材注射装置。

液体注射装置示意图

美国Alabama大学的Pakhomov博士[7~11]使用了TEACO2 激光对几种常用的液体靶材进行了照射。在对水，甲醇，异丙烷等等进行激光烧蚀的试验中，他们发现在激光烧蚀试验中液体变化主要分为两个部分即汽化与喷溅过程。而在其中，汽化对推力作用最大，喷溅则消耗了大部分的工质。图1.3是美国学者对不同液体靶材的实验结果：

三种液体的对比结果

在国内，也有很多学者对于液体激光烧蚀进行了研究。中国装备指挥技术学院的崔村燕[12~16]等对于液体靶材激光推进的机理研究表明1）根据液体对激光的作用位置，可分为表面烧蚀模式和内部烧蚀模式。2）在表面烧蚀模式中，又可分为两个主要的过程即气泡的形成过程和成长过程。3）在液体靶材激光烧蚀试验中，液体靶材的喷溅消耗了大量的工质而对推力作用有限，应该是尽力避免。这对于后续研究有着指导意义。图1.4为中国学者激光烧蚀试验中液体靶材喷溅的照片: