激光引致高分子等离子体的发射光谱研究及其在激光推进中的应用

摘要

随着航天编队技术和MEMS技术的快速发展，微小卫星的自身功能愈来愈强，通过分布式的多个微小卫星协同工作替代一个传统大卫星的功能可大大降低发射成本和发射风险，并能完成许多传统卫星无法完成的工作。针对微小卫星的高精度推力需求，开展了激光微推进系统集成和推进性能研究。由于能源和飞行器分离，激光大推进技术在降低小型飞行器的发射成本方面具有巨大优势，针对在转轨阶段的环境压力，对烧蚀模式推进性能进行了研究，相关成果还可对工质的配方设计进行指导。
　　为了减小激光微推进系统的质量和体积，并实现高频加载，引入半导体激光阵列作为加载光源;使用抛物面形透镜实现了激光光束在快轴方向和慢轴方向的同步压缩，得到了矩形光斑，使用透镜阵列实现了对整个激光阵列的光斑整形;设计了一维运动的工质供给机构。
　　针对双基药和聚叠氮缩水甘油醚两种工质，采用差热分析法分析了其分解放热特性，并对GAP和双基药的主要组分（硝化棉、硝化甘油）混合后的放热特性进行了研究，发现GAP和硝化棉混合后的分解热会有所提升;选用刮涂法和喷涂法进行工质带制备，并设计了自动化加工装置，成功制得了双基药-聚氨酯-BOPP和GAP-PET两种工质带。
　　建立了激光微推进挡板扭摆测试系统，可对单脉冲和组脉冲形式的推进性能进行测试。矩形光斑和圆形光斑的推进性能对比表明，受光斑能量分布的影响，圆形光斑的比冲较大，但矩形光斑的单脉冲冲量和冲量耦合系数较高，能量密度和功率密度的耦合作用决定了工质的推进性能，进一步提高矩形光斑的功率密度，有望达到更优的推进性能。工质带的移动会导致推进性能的降低，尤其是在低功率密度时的降低更加明显，移动会造成烧蚀孔在激光快轴方向的宽度增大，在慢轴方向的长度减小，并造成羽流向移动方向的偏转。GAP的推进性能优于双基药，GAP侧链含能基团叠氮基的分解对其推进性能有着决定性的影响。添加IR染料和碳粉后，工质吸收深度和导热率的不同会造成烧蚀孔形貌和推进性能的极大差异;实验和离散元模拟表明，对于特定的材料，其吸收深度与工质厚度间存在一最优比值，此时的推进性能最优，烧蚀孔喷射面大于辐照面。利用蒙托卡罗法对羽流污染问题的模拟表明，污染主要发生在喷射结束后。
　　对不同配比的GAP-双基药复合工质的研究表明，激光条件相同时GAP含量较高的配方冲量耦合系数较高，双基药含量较高的配方比冲较高，适当的调节两者比例可扩展微推范围;为了消除透射模式基底层的冗余质量，根据GAP的震荡燃烧特性，设计了激光长聚焦反射式固态药柱构型，对比实验表明ATP的冲量和冲量耦合系数大约为GAP的85％，但是ATP的抗拉强度为GAP的6倍。
　　采用具有时空分辨率的发射光谱技术和等离子体成像技术对低压(≤1 torr)氧气和氩气环境下532nmYAG激光烧蚀PE、POM、GAP产生的烧蚀羽流的膨胀过程进行了系统研究。研究表明在真空条件下，发射光谱的离子谱线由高分子材料的构成元素决定，靶板表面C2分子光谱的形成与高分子的化学结构有关，PE和GAP的靶板表面有明显的C2分子谱线，但POM表面则不明显。氩气和氧气环境下的冲击波初期传播过程可用Sedov-Taylor公式拟合，并得到冲击波能量。
　　在150ns左右时，氩气和氧气环境中的PE和GAP的靶板表面和冲击波中间出现了C2分子谱线，并快速向外膨胀逐渐赶上冲击波波阵面。在氧气中C2分子可以突破波阵面，扩散至冲击波前方，但在氩气中只能扩散至波阵面处;环境气体谱线（ArⅡ和OⅡ）显示:环境气体可以逆着冲击波的传播方向冲破波阵面进入到冲击波内部，这些快速向外扩散的C2粒子最有可能通过三体重组形成。
　　在氩气环境中，PE的激光能量转化率受热传导的影响随氩气压强的升高而降低，但在氧气中随压力的提高是先升高再降低。POM和GAP在两种气体中的激光能量转化率受到化学反应的影响都是先升高后降低，由于GAP的激光吸收率很低，掺杂后其冲击波能量有进一步提升的空间。在同压力氧气条件下高分子烧蚀产生的冲击波能量都远远大于氩气环境中的冲击波能量，在0.65torr氧气中PE冲击波的能量是同压力氩气条件下的十多倍，显示了环境氧对于提高激光推进性能的重要性。Pgopher模拟表明，烧蚀粒子与周围环境的反应主要发生在烧蚀羽流的高温阶段，在C2的转动温度降低到3000K左右时，碳粒子间可形成C2。为了指导激光推进的工质设计，引入了氧平衡的概念。
　　在空气中POM烧蚀羽流的等离子图像中第一次观察到了高分子激光烧蚀中因涡流造成的羽流凹陷现象，光谱研究表明烧蚀产物仍主要集中在羽流的中心位置，中轴线两侧的强发射光谱是电离的气体涡流造成的。
　　结合POM+20％Al在真空和氩气中的光谱图，推断在此实验条件下掺杂的铝粉并未被激发。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 激光推进的基本概念

1．2．1 激光大推进

1．2．2 激光微推进

1．2．3 激光推进的度量

1．3 激光推进技术的研究进展

1．3．1 激光大推进的研究进展

1．3．2 激光微推进的研究进展

1．4 激光推进机理的研究进展

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第2章 激光微推进系统的设计和烧蚀材料的选择

2．1 引言

2．2 光源

2．2．1 光源设计

2．2．2 Bar条激光器高频工作的发热问题

2．3 聚焦光路设计

2．4 工质供给系统设计

2．5 烧蚀带设计

2．5．1 烧蚀带材料的筛选原则

2．5．2 双基药和GAP简介

2．5．3 GAP固化体系的力学性质研究

2．5．4 烧蚀材料的能量特性计算

2．5．5 热分解和相容性实验

2．6 烧蚀带的制备方法

2．6．1 制备方法的筛选

2．6．2 烧蚀层的配方设计

2．7 本章小结

参考文献

第3章 激光微推进的推力性能研究

3．1 引言

3．2 测试方法简介

3．3 激光微推进系统的推进性能影响因素研究

3．3．1 激光光斑的影响

3．3．2 激光功率和能量对推进性能的影响

3．3．3 工质带移动的影响

3．3．4 烧蚀材料对推进性能的影响

3．3．5 烧蚀材料厚度的影响

3．3．6 组脉冲的影响

3．3．7 国内外实验数据对比

3．4 激光微推进性能的优化研究

3．4．1 添加剂的影响

3．4．2 烧蚀孔形貌的影响

3．4．3 混合式推进剂的研发及其性能

3．4．4 固体药柱的研究

3．5 激光微推进的数值模拟研究

3．5．1 吸收深度对推进性能影响的离散元模拟

3．5．2 喷射污染的蒙托卡罗模拟

3．6 本章小结

参考文献

第4章 激光诱导等离子体的发射光谱研究

4．1 前言

4．2 实验设备简介

4．3 发射光谱的原理

4．4 光谱实验结果与讨论

4．4．1 高分子在真空下的烧蚀特性

4．4．2 低压气体对高分子烧蚀羽流的影响

4．4．3 150ns内的冲击波分析

4．4．4 C2分子转动温度的模拟

4．4．5 大气环境下的高分子烧蚀

4．4．6 铝粉掺杂后的POM的发射光谱研究

4．5 本章小结

参考文献

第5章 全文总结和展望

5．1 全文总结

5．2 本文主要创新点

5．3 未来工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果