激光引致高分子等離子體的發(fā)射光譜研究及其在激光推進中的應用.pdf

1、隨著航天編隊技術和MEMS技術的快速發(fā)展，微小衛(wèi)星的自身功能愈來愈強，通過分布式的多個微小衛(wèi)星協(xié)同工作替代一個傳統(tǒng)大衛(wèi)星的功能可大大降低發(fā)射成本和發(fā)射風險，并能完成許多傳統(tǒng)衛(wèi)星無法完成的工作。針對微小衛(wèi)星的高精度推力需求，開展了激光微推進系統(tǒng)集成和推進性能研究。由于能源和飛行器分離，激光大推進技術在降低小型飛行器的發(fā)射成本方面具有巨大優(yōu)勢，針對在轉軌階段的環(huán)境壓力，對燒蝕模式推進性能進行了研究，相關成果還可對工質的配方設計進行指導。

2、r>　　為了減小激光微推進系統(tǒng)的質量和體積，并實現(xiàn)高頻加載，引入半導體激光陣列作為加載光源;使用拋物面形透鏡實現(xiàn)了激光光束在快軸方向和慢軸方向的同步壓縮，得到了矩形光斑，使用透鏡陣列實現(xiàn)了對整個激光陣列的光斑整形;設計了一維運動的工質供給機構。
　　針對雙基藥和聚疊氮縮水甘油醚兩種工質，采用差熱分析法分析了其分解放熱特性，并對GAP和雙基藥的主要組分（硝化棉、硝化甘油）混合后的放熱特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)GAP和硝化棉混合后的分解熱會

3、有所提升;選用刮涂法和噴涂法進行工質帶制備，并設計了自動化加工裝置，成功制得了雙基藥-聚氨酯-BOPP和GAP-PET兩種工質帶。
　　建立了激光微推進擋板扭擺測試系統(tǒng)，可對單脈沖和組脈沖形式的推進性能進行測試。矩形光斑和圓形光斑的推進性能對比表明，受光斑能量分布的影響，圓形光斑的比沖較大，但矩形光斑的單脈沖沖量和沖量耦合系數(shù)較高，能量密度和功率密度的耦合作用決定了工質的推進性能，進一步提高矩形光斑的功率密度，有望達到更優(yōu)的推進性

4、能。工質帶的移動會導致推進性能的降低，尤其是在低功率密度時的降低更加明顯，移動會造成燒蝕孔在激光快軸方向的寬度增大，在慢軸方向的長度減小，并造成羽流向移動方向的偏轉。GAP的推進性能優(yōu)于雙基藥，GAP側鏈含能基團疊氮基的分解對其推進性能有著決定性的影響。添加IR染料和碳粉后，工質吸收深度和導熱率的不同會造成燒蝕孔形貌和推進性能的極大差異;實驗和離散元模擬表明，對于特定的材料，其吸收深度與工質厚度間存在一最優(yōu)比值，此時的推進性能最優(yōu)，燒蝕

5、孔噴射面大于輻照面。利用蒙托卡羅法對羽流污染問題的模擬表明，污染主要發(fā)生在噴射結束后。
　　對不同配比的GAP-雙基藥復合工質的研究表明，激光條件相同時GAP含量較高的配方?jīng)_量耦合系數(shù)較高，雙基藥含量較高的配方比沖較高，適當?shù)恼{(diào)節(jié)兩者比例可擴展微推范圍;為了消除透射模式基底層的冗余質量，根據(jù)GAP的震蕩燃燒特性，設計了激光長聚焦反射式固態(tài)藥柱構型，對比實驗表明ATP的沖量和沖量耦合系數(shù)大約為GAP的85％，但是ATP的抗拉強度為G

6、AP的6倍。
　　采用具有時空分辨率的發(fā)射光譜技術和等離子體成像技術對低壓(≤1 torr)氧氣和氬氣環(huán)境下532nmYAG激光燒蝕PE、POM、GAP產(chǎn)生的燒蝕羽流的膨脹過程進行了系統(tǒng)研究。研究表明在真空條件下，發(fā)射光譜的離子譜線由高分子材料的構成元素決定，靶板表面C2分子光譜的形成與高分子的化學結構有關，PE和GAP的靶板表面有明顯的C2分子譜線，但POM表面則不明顯。氬氣和氧氣環(huán)境下的沖擊波初期傳播過程可用Sedov-Tay

7、lor公式擬合，并得到?jīng)_擊波能量。
　　在150ns左右時，氬氣和氧氣環(huán)境中的PE和GAP的靶板表面和沖擊波中間出現(xiàn)了C2分子譜線，并快速向外膨脹逐漸趕上沖擊波波陣面。在氧氣中C2分子可以突破波陣面，擴散至沖擊波前方，但在氬氣中只能擴散至波陣面處;環(huán)境氣體譜線（ArⅡ和OⅡ）顯示:環(huán)境氣體可以逆著沖擊波的傳播方向沖破波陣面進入到?jīng)_擊波內(nèi)部，這些快速向外擴散的C2粒子最有可能通過三體重組形成。
　　在氬氣環(huán)境中，PE的激光能量

8、轉化率受熱傳導的影響隨氬氣壓強的升高而降低，但在氧氣中隨壓力的提高是先升高再降低。POM和GAP在兩種氣體中的激光能量轉化率受到化學反應的影響都是先升高后降低，由于GAP的激光吸收率很低，摻雜后其沖擊波能量有進一步提升的空間。在同壓力氧氣條件下高分子燒蝕產(chǎn)生的沖擊波能量都遠遠大于氬氣環(huán)境中的沖擊波能量，在0.65torr氧氣中PE沖擊波的能量是同壓力氬氣條件下的十多倍，顯示了環(huán)境氧對于提高激光推進性能的重要性。Pgopher模擬表明，燒

9、蝕粒子與周圍環(huán)境的反應主要發(fā)生在燒蝕羽流的高溫階段，在C2的轉動溫度降低到3000K左右時，碳粒子間可形成C2。為了指導激光推進的工質設計，引入了氧平衡的概念。
　　在空氣中POM燒蝕羽流的等離子圖像中第一次觀察到了高分子激光燒蝕中因渦流造成的羽流凹陷現(xiàn)象，光譜研究表明燒蝕產(chǎn)物仍主要集中在羽流的中心位置，中軸線兩側的強發(fā)射光譜是電離的氣體渦流造成的。
　　結合POM+20％Al在真空和氬氣中的光譜圖，推斷在此實驗條件下?lián)诫s的