（凝聚态物理专业论文）推力器热效应以及金属掺杂工质激光推进实验研究.pdf

摘要 摘要 激光推进中激光对推力器以及其他装置的热影响一直是不容忽视的一个 重要因素，尤其是在大推进中，激光单脉冲能量都能达到数百焦耳，如此高的 能量势必会影响激光推进的各种性能。本文从基础出发，研究了旋转抛物面 型推力器在n d ：y a g 激光器辐照下的各科温度随时问变化规律。另外，金属 和高分子在激光推进t j 是两类不同吸收机制的靶材，本文实验研究了金属和 高分子靶材掺合后的混合效果。并且对不同激光器辐照下的实验效果进行了 对比和分析。 在推力器热效应实验研究中，利用自行设计的热电偶温度测量装置，实时 测量了各种功率下的温度时问曲线，并拟合出了抛物面罩表面的温度分布函 数，解释了不同入射角的激光辐照对材料温升影响的原因，发现激光辐照点 与其它各点温度上升明显不同。 在金属惨杂p v c 的实验中，利用大功率脉冲t e a c 0 2 激光器作为光源， 对不同元素、浓度以及颗粒直径金属掺入p v c 的靶材进行了测试。实验发现： 不同金属以及不同颗粒直径掺杂后的p v c 靶材的冲量耦合系数变化不大， 但在不同功率密度处，比冲k 值均有显著提高，其中纳米f e 粉性能更为优异。 在功率密度为5 1 0 6 w c m 2 时，5 0 纳米f e 粉含量的靶材的比冲出现最大值。 在大气环境下，对掺有2 0 纳米z n 粉的p v c 靶材，其c m 值随激光功率密度的 提高而先升后降，但是比冲并不优异于比其熔点更高的f e 粉和n i 粉掺杂。 为了研究激光器参数对上述靶材的影响，实验还利用t e a c 0 2 和婚两 种激光对纯p v c 靶材以及掺有不同元素和不同直径的金属颗粒p v c 复合靶材 的性能进行了测试和对比。发现各种靶材在两种激光照射下的性能相差各异。 在y = 舶激光照射下，各种靶材测试的冲量耦合系数均大于在t e a c 0 2 激 光照射下的测量值，而比冲则正好相反；使用t e a c 0 2 激光器下的推进效率 略高于y a g 激光器。通过对烧蚀率的测试，确认了各种材料在不同激光下的 烧蚀深度不同，而掺入金属后的靶材可以有效地减小烧蚀深度。 关键词：激光推进，激光技术，热效应，比冲，冲量耦合系数，效率，旋转抛 物面，热电偶，金属掺杂，工质 i a b s t r a c t t h eh e a te f f e c tt om m s t e ra i l do m e rd e v i c e si sa ni m p o r t a n tf a c t o rt h a ts h o u l d n o tb eo v e r l o o k e di nl a s e rp r o p u l s i o n e s p e c i a l l yi nb i gp r o p u l s i o n ，t h es i n g l ep u l s e o fl a s e re n e r g ya c h i e v e sh u n d r e d so fj o u l e s ，s u c hah i g he n e 唱yw i l li n e v i t a b l ya 跣c t t h ev a r i o u sp e r f o r m a n c eo fl a s e rp r o p u l s i o n f o u n d a t i o n a l l y ，t 1 1 ep a p e rs t u d i e dt l e l a w so ft e m p e r a t u r ec h a n g eo v e rt i m eo fm er o t a t i n gp a r a b o l i c t y p et h m s t e r su n d e r n d ：y a gl a s e rr a d i a t i o n i na d d i t i o n ，n l e t a la n dp 0 1 y m e ra r et w od i f f e r e n tk i n d so f m a t e r i a l sw h i c hh a v ed i 行：r e n tm e c h a n i s m so fa b s o 印t i o n ，t h ei n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e w a ss t u d i e dw h e nm e t a la n dp o l y m e r sw e r ei i l i x e dt o g e t h e r a n dc o n t r a s ta n da n a l y s l s w e r es t u d i e du n d e rd i f ! i e r e n tl a s e r s e x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n to ft h eh e a te f f e c t so ft h r u s t e r m er e a l - t i m ep o w e rv s t i m e c u r v e si nv a r i o u sl a s e rp o w e r sh a db e e nt e s t e du s i n gs e l f - d e s i g n e dt e m p e r a t u r em e a 。 s u r e m e n td e v i c e s ，a n df i t t i n gad i s t r i b u t i o nf u n c t j o np a r a b o l i co ft h r u s t e rs u r f a c et e m 。 p e r a t u r e ，e x p l a i nt h er e a s o nt h a td i n e r e n ta n g e l sw i l la 行e c tm et e m p e r a t u r en s e a s w e l l ，a n d 矗n dt h a tt h ei r r a d i a t i o np o s i t i o nh a sd i f ! f e r e n tr i s i n ga n d1 0 w e r i n gt e m p e r a 。 蜘t ef e a t u r e sw i t ho t h e rp o s i t i o n s i nt h ee x p e r i e n c eo fm e t a ld o p e di np v c ，t h em e t a lp a r t i c l e so fd i a e r e n te l e m e n t s ， c o n c e n t r a t i o n sa n dd i a m e t e r sw e r ed o p e di np v ca n dt h et a 唱e t sw e r et e s t e db yu s i n g ah i g h p o w e rp u l s e dt e a c 0 2l a s e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ec o u p l i n gc o e m c i e n t c kc h a n g e s0 n l ys l i g h t l yw i t he l e m e n t sa n dd i a m e t e r so fm e t a lp a i t i c l e sd o p e d i n p v c ，b u tt h es p e c i 五ci m p u l s el pi ss i g n i t i c a n n yi m p r o v e df o rd i f e e r e n tl a s e rp o w e r d e n s i t i e s t h en a n o f ep o w d e rs h o w sb e t t e rp e r f b 肿a n c ee s p e c i a l l y ；t h em a x i m u m s p e c i 6 ci m p u l s ea p p e a r sa t5 0 n a n o f ep o w e rc o n c e n t r a t i o nf o rt h ee n e 唱yd e n s l t y o f5 1 0 6 w c m 2 a tt h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ，t h eg i mv a l u ef o rp v ct a 唱e t c o n t a i n i n g2 0 n a n o z i n cp o w d e ri n c r e a s e sf i r s t l ya n d t h e nc l e c r e a s e sw i t hi n c r e a s l n g l a s e rp o w e rd e n s i t y ，a n di t ss p e c i f i ci m p u l s ei sn o te v e nb e t t e rt h a nt h a td o p e d w i t ht h e l o w e ri n e l t i n gp o j n tm e t a l s ，s u c ha s ，f ea n dn i i no r d e rt os t u d ym ei m p a c to fl a s e rp a r a m e t e r so nt l l ea b o v et 哇哆e t s ，t 1 1 ee x p e n 。 一 m a b s t r a c t m e n t sw e r et e s t e da n dc o n t r a s t e du s i n gt e a c 0 2a n d 、0 6 l gl a s e ri r r a d i a t et h ep u r ea n d 硼吧t a ld o p e dp v c t a 唱e t si nd i f f 色r e n tg r a i na n de l e m e n t s i ti sf o u n dt h a tt h et a 唱e t s s h o wd j f f e r e n tp e r f 6 r m a n c eu n d e ri r r a d i a t i o no fd i f f e r e n t1 a s e r s t - h ec o u p i i n gc o e 伍一 c i e n t ( ki ss i g n if i c a n t l y1 a 曙e rw i t ht h ey a gl a s e rt h a nt h a tw i t h h et e a c 0 2l a s e r ； i nc o n t r a s ts p e c i f i ci m p u l s el pi s l a 唱e rw i t ht h et e a c 0 2l a s e r f u r t h e rm o r e ，c h e p r o p u l s i o ne 硒c i e n c yi ss l i 曲t l yh i 曲e rw i c ht h et e a c 0 2l a s e rt h a nw i t i lt h ey a g l a s e r b a s e do nt h em e a s u r e m e 玎to ft h ea b l a i o 玎r a t ei i sc e f t i 矗e de h a t h ea b l a t i o n d e p t h v a r i e sw i t hm a t e r i a l s ，a n dm em e t a ld o p e dt a r g e tc a nr e d u c et l l ea b l a t i o nd e p t l l e 旧f e c t i v e ly k e y w o r d s ：1 a s e rp r o p u l s i o n ，l a s e rt e c h n o l o g y ，h e a te f - f e c t s ，s p e c i f i ci m p u l s e ，c o u p l i n g c o c 伍c i e n t ，e 伍c i e n c y ，r o t a t i n gp a r a b o l i cr e f l e c t o r t h e r m o c o u p l e ，m e t a ld o p e d ，t a r g e t 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： p 6 年6 第1 章绪论 第1 章绪论 自1 9 7 0 年4 月2 4 号，我国第一颗人造地球卫星“东方红”号顺利升空， 到2 0 0 7 年1 0 月2 4 日“嫦娥一号”月球探测卫星的顺利发射，在不到4 0 年 问，中国的航天事业蒸蒸日上，渐渐成为世界“航天俱乐部”不可忽视的重要 一员。航天技术不仅是一个国家国防、军事的重要标志，而且涉及到工业、农 业、制造业等等与老百姓息息相关的各行各业。毫无疑问航天技术是当今科 技发展的象征，是探索地球、太阳系、银河系乃至整个宇宙的新起点，也是人 类开发和利用太空资源的现代高技术手段。近年来，我国越来越重视航天技 术的科研投入，由国务院正式批准绕月探测工程即“嫦娥工程 就是一个重要 的里程碑，对认识月球、合理利用月球资源以及国民经济的可持续发展都将 产生深远影响。 自人类步入2 l 世纪，能源短缺越来越成为制约社会可持续发展的瓶颈， 而现代国防、军事、通讯等等各行各业对卫星质量以及数量的要求越来越高， 如何在发射火箭时节约能源、减少成本、提高效率以及成功率成为研究推进 技术的一个重要方向。传统火箭推进采用化学火药推进，成本高、污染大，而 且效率极低。其最高温度只有4 0 0 0 5 0 0 0 k ，比推力上限4 0 0 0 5 0 0 0 n s 埏 ，比冲低( 5 0 0 s ) ，另外，因为传统化学火箭推进的推进剂和能源是合二为 一的，所以有效荷载比很低，只有1 左右，而且具有危险性，所排放的大量 尾气也会造成环境污染。由于传统火箭发射效率很低，所以发射成本非常昂 贵，低轨时每千克有效质量大概需要1 0 0 0 0 美元，而到达高轨道时每千克有 效质量甚至突破6 0 0 0 0 美元。由于受推进剂化学能的限制，其推力很难提高， 同时，其发射操作运转模式复杂，重复使用困难。所以各国科技工作者积极探 索新的火箭推进方法。 世界上第一台激光器诞生于1 9 6 0 年，激光的问世，由于其方向性好、相 干强且能量集中等诸多优点使得人们对这一能源充满了期待。在医疗、加工、 探测等领域已经取得了突破性进展，同时也在国防、军事等高科技领域发挥 了举足轻重的作用。在激光辐照靶物质的相互作用过程中，人们发现激光轰 击靶材后，产生的等离子体喷射对固体靶的反推效果很明显，由此开始了利 1 第l 章绪论 用激光作为能源的一种新型推进方式的探索。 1 1 激光推进的基本概念 激光推进( l a s e rp r o p u l s i o n ) 的概念是由a v e oe v e r e t t 实验室的a k a n t r o w i t z 于1 9 7 2 年首先提出来的【l 】。激光推进和传统火药推进都是利用反冲作用来实 现的。所不同的是激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的反作用力 推动飞行器前进。如图1 1 所示，激光推进系统主要包括激光系统、光束发射 与控制系统、光船( l i 曲tc r a f t ) 三部分。由激光系统提供能量，光束发射与控 镧系统对激光的方向，光斑大小、发散角等进行调节，最后调整好的光线轰击 光船内的空气或其他工质，产生等离予体反向喷射，推动光船前进。并且由光 束发射与控制系统实时根据光船的位置、速度、倾斜角调整光线的方向、能量 密度等参数，以动态的改变激光参数从而改变光船所受力大小和方向。 图1 1 ：激光推进系统的工作示意图 与传统的化学推进相比，激光推进在概念上的创新主要归结为两个分 离：( 1 ) 工质和能量分离；( 2 ) 飞行器和能源系统分离。工质傲功的能量由外 来激光注入，工质能量密度不受传统化学推进剂化学能的限制，因而可以大 幅度提高比冲和推进效率。第二个分离使飞船不必携带笨重的能源系统，进 一步减轻飞船的重量，有效载荷比可达1 5 以上，大大降低发射成本【2 】。由 2 第l 章绪论 不足的限制，且可根据不同的条件选择不同比冲岛和冲量耦合系数的 工质( 岛和是衡量工质性能的两个最重要参数) ，灵活性更高。 采用火箭模式，根据等离子流速方向和激光方向的不同，可以分成透射式 和反射式两利- 如图图1 3a 、b 示，反射式即激光束的前进方向与等离子流的流 融蝴s 雕 图1 3 ：反射式( a ) 以及透射式( b ) 示意图 速方向相反，也就是说激光束的方向与火箭的前进方向一致，此种方法常用 于大推进，用于火箭的发射和入轨，这种方法的优点显而易见，因为地面上获 得能量相对比较容易，地面的激光装置可以稳定地、源源不断地为火箭提供 能量，且易于控制与操作，但是由于此种方法激光束的方向与等离子流的方 向相反，反射的等离子流颗粒很容易对入射的激光束造成干扰，从而为卫星 的姿态调整，精确入轨带来困难。透射模式则克服了这个缺点，如图1 3 b 所示， 采用透射模式激光束的前进方向与离子流速度方向致，也就是火箭的前进 方向与激光束的方向相反，这种方式一般把激光装置置于火箭内，由火箭内部 能源或太阳能为激光束提供能量，由于火箭在空中阻力很小，所以很小的能 量就能使火箭姿态、运行方向等发生改变，所以这种方法经常由于微推进，用 于控制和调整火箭的运行姿态。在将来的火箭推进中，两种方式会结合使用。 1 2 激光与工质作用原理 当处于大气上层( 3 0k m 以上) 或外空问时，大气模式已不足以产生所需 的动力，这时转为激光束烧蚀推力器自携的工质形成等离子体气团产生反冲 4 第1 章绪论 力，称为“火箭模式”或“烧蚀模式捧。本文也是主要研究采用不同工质下的 烧蚀效应。所以下面就不同环境下激光与工质作用的基本原理做一简单叙 述【4 ，5 。 1 _ 2 1真空中激光与靶作用模型 真空环境下，高功率激光入射到固体靶表面，靶材烧蚀形成的等离子体i 句 外喷射，气化面( 烧蚀面) 向靶内移动，如图1 4 所示，由于流体动压力和电子 烧蚀翻 入射激光 凝聚态怔憾辨晒 图1 4 ：真空条件下激光与靶作用模型 热传导的作用，烧蚀面前方靶介质的压力或温度跃升，并驱动一个强冲击波 向未受扰的靶介质中传播。在烧蚀面后方是靶蒸气等离子体膨胀区，在等离 子体区中随着距烧蚀面越远其密度、温度、压力等越小，在靠近烧蚀面附近最 高 极高光强下真空环境的靶蒸气等离子区也会产生激光吸收波，临界面处 完全电离，吸收绝大多数能量而迎着激光入射方向运动，压缩尚未完全电离 的靶蒸气。但由于随着距凝聚态靶面距离的增加靶蒸气的密度迅速减小，使 得临界面的运动速度下降并很快消失，而此时在凝聚态靶面处又产生新的临 界面。所以真空环境下靶蒸气中不能产生稳定的激光吸收波，这与大气环境 中是不同的。 5 第1 章绪论 力，称为“火箭模式”或“烧蚀模式捧。本文也是主要研究采用不同工质下的 烧蚀效应。所以下面就不同环境下激光与工质作用的基本原理做一简单叙 述【4 ，5 。 1 _ 2 1真空中激光与靶作用模型 真空环境下，高功率激光入射到固体靶表面，靶材烧蚀形成的等离子体i 句 外喷射，气化面( 烧蚀面) 向靶内移动，如图1 4 所示，由于流体动压力和电子 烧蚀翻 入射激光 凝聚态怔憾辨晒 图1 4 ：真空条件下激光与靶作用模型 热传导的作用，烧蚀面前方靶介质的压力或温度跃升，并驱动一个强冲击波 向未受扰的靶介质中传播。在烧蚀面后方是靶蒸气等离子体膨胀区，在等离 子体区中随着距烧蚀面越远其密度、温度、压力等越小，在靠近烧蚀面附近最 高 极高光强下真空环境的靶蒸气等离子区也会产生激光吸收波，临界面处 完全电离，吸收绝大多数能量而迎着激光入射方向运动，压缩尚未完全电离 的靶蒸气。但由于随着距凝聚态靶面距离的增加靶蒸气的密度迅速减小，使 得临界面的运动速度下降并很快消失，而此时在凝聚态靶面处又产生新的临 界面。所以真空环境下靶蒸气中不能产生稳定的激光吸收波，这与大气环境 中是不同的。 5 第l 章绪论 1 - 2 2 大气环境下激光与靶材相互作用模型 当激光束在大气中传播，激光功率密度远小于空气的击穿阈值时，空气对 激光束来说是透明的。激光与靶物质相互作用能导致靶面激光支持吸收波的 形成。图1 5 中，高功率密度激光束到达靶面时，靶面物质在极短的时间内吸收 强激光能量后迅速气化，从而产生一气化层由靶面迅速向外膨胀，在空气中驱 动一前驱冲击波，这相当于活塞驱动激波的作用；前驱冲击波后是被压缩的 空气，接着是靶蒸气空气的界面。靶蒸气与压缩空气中都包含有可能吸收激 光能量的物质，对于波长在1 一1 0 弘m 范围内的激光，主要的吸收机制是通过 自由电子的逆韧致辐射吸收。由于空气的离化势能远高于靶蒸气的离化势能， 并且靶蒸气中的自由电子密度要远高于空气中的电子密度，所以激光仍然可 以完全透过压缩空气层。对靶蒸气而言，在靠近靶面附近的蒸气层较之外层 有更高的温度，自由电子密度也最高，所以能强烈吸收激光能量而迅速完全电 离，形成高温、高压等离子层。当激光功率密度很高时，由于等离子体层的自 由电子密度很高，能绝大部分甚至完全吸收激光能量，从而隔断了激光束与 靶的能量耦合，此即等离子体屏蔽效应。该等离子体层在吸收激光能量的同 时，由于一边是固体靶面，所以会向激光入射方向急速膨胀，形成流体力学的 强问断( 即冲击波) ，向前压缩尚未完全电离的蒸气，使其温度和密度突然升 k 燃r 镧明确哟da 锄铆够移馥螂犍 瓿渺谢钾嗽e l i 谢轴怫 | a 净s 孙b c 喜w a 豫 l l i 蝣i d ； 铹 萋 l a 舶语擞斟m o l p “尊嶝 l ， 孽 协附：s 觚潲 耋 纵 ：a j f i 鳃掰 e l 钕黼搬r 融 l l i 图1 5 ：大气环境下激光与靶作用模型 x 高，并达到完全电离，成为新的激光吸收阵面，迎着激光入射方向继续传播。 当激光功率密度不是很高时，上述等离子体吸收阵面将以亚声速传播，称为 6 第1 章绪论 激光支持的燃烧波( l s c 即l a s e rs u p 翕霸n e dc o m b u s i i o n ) ；当激光功率密度很 高时，等离子体吸收阵面以超声速传播，称为激光支持的爆轰波( l s d 即l 妻骜鸯 s 蓁篓p o 辛 e dd e t o n a t i 曩曩) 。 1 3 激光推进性能参数 为了衡量在推进过程中靶或推力器获取的耦合冲量的大小，引入冲量耦 合系数c k ，冲量耦合系数指的是单位激光能量产生的耦合冲量的大小，它是 衡量激光推进效能的重要指标之一，定义为： = 掣 ! i 1 1 ) 其中，是激光输入能量，( m ) 是激光推力器受激光辐照产生的动量变 化。由式可以直接推导出： f = p ( 1 2 ) 其中f 为作用到推力器上的推力，p 为激光功率，由此可见，激光输出功率 一定时，越大，推力器所受到的推力也越大。 另外我们引入比冲厶口，其定义为： 岛= 渊 i i i 3 ) 式中，m 为工质每次激光轰击前后的质量损失，夕为重力加速度。根据动量 守恒定律，推力器所获得的动量在大小上等于尾气喷射物的动量，于是比冲 又可以写出以下形式： l p = u e 9 ( 1 4 ) 其中 e 为喷射物的平均逃逸速度，由此可见，喷射物逃逸速度越大，比冲就 越大，反之亦然。在激光推进中，效率被定义为喷射粒子动能与入射激光能量 的比值，即： l = ；( m ) u 刍e ( 1 5 ) 按照与岛的定义，上式可以写为 ! ! = 言夕岛 ( 1 6 ) 第l 章绪论 p r o p u l s i o n ) 的国际会议，各国共同探讨激光等离子体推进技术的发展，充分 证明了国际上对这种新的推进方式的认可和重视。根据能量供给方式的不 同，激光推进可以分为连续激光推进和脉冲激光推进。连续激光推进的优点 是能对激光器提供比较稳定的能量，基本上保证火箭所受到的推力为一定 值。k t 0 y o d a 等 7 ，8 】报道了在连续工作的c 0 2 激光器作为动力源情况下，采 用一个固定在靶上的压力传感装置，实验测量了有关推进性能的变化规律， j r l u k e 等【9 】还为连续激光工作模式设置了微小卫星发射的小型等离子推进 器模型。连续推进虽然能产生恒定的推力，但由于激光作用工质后产生的等 离子体能够屏蔽后来的激光，这样会直接影响激光推进的性能以及效率。所 以近，l 年来，各国科技工作者主要从事脉冲激光推进的研究。从2 0 世纪7 0 年 图1 7 ：1 9 9 9 年白沙导弹靶场进行激光推进实验照片 代以来，美航天局、美国空军实验室等单位开始对等离子体的膨胀过程、激 光推进系统的推力、比冲和冲量耦合系数等问题进行了大量理论、实验和数 值模拟研究。1 9 9 7 年在白沙导弹靶场首次成功进行了穿线式激光推进实验。 在1 0k w 二氧化碳脉冲激光的推动下，碟状光船上升了o 3 0 5m ( 1 英尺) 。 1 9 9 9 年，白沙导弹靶场再次实验，采用脉冲平均功率1 0l ( w 的c 0 2 激光器， 将直径为1 2c m ，重5 0g 的光船发射到了7 1m 的高空，光船飞行时间为1 3s 。 图1 7 为本次试验的照片，该实验创造了激光推进发射高度的世界记录。 9 第1 章绪论 2 0 0 0 年德国b o h n 小组【1 0 _ 1 2 】采用脉冲c 0 2 激光器将直径1 0c m ，重5 5 g 的光船推高8m ，他们小组在2 0 0 2 年进行了大量的实验，并对美国和德国的 光船进行了比较。日本在这方面研究也有很大进展。2 0 0 2 年6 月，东京工业 大学的y a b e 等人【1 3 】将进行了铝片固定在纸飞机上的实验。另外，俄罗斯还 专门为激光推进制定了为期3 年的i s t c 1 8 0 1 计划。国内这方面进展的比较 晚，2 0 0 1 年，中国科学技术大学唐志平等 1 4 】采用火箭模式利用单脉冲钕玻璃 激光器实行了5 8 7 克铝弹丸的垂直推进实验，高度达到1 4 8 米。图1 8 为中国 图1 8 ：中国科学技术大学激光推进实验照片【1 4 】 科学技术大学进行大气模式激光推进实验的照片。另外装备指挥学院、国防 科技大学、中科院物理所、南京理工大学、华中科技大学等单位也先后进行了 激光推进相关的实验及模拟。 尽管激光推进在实验以及理论方面已经取得了很大的进展，但是距离实 用还有很大一段路程。这方面主要归结与以下方面：一、如果不采用含能工 质，激光推进的全部能量均米自于激光器的能量转化，这对研制高功率、高 稳定性的大型激光器提出了要求，但目前所采用的激光器还不能满足这种要 求：二、为取得高比冲、高性能、高效率的激光发动机的工作温度高达万度以 上( 等离子体) ，采用脉冲激光产生的强冲击，可能高于超燃发动机；三、虽然 1 0 第l 章绪论 激光推进理论上有很大进展，但由于涉及的参数较多、情况复杂多变，至今还 没有形成一套完整的理论体系。鉴于诸多原因，需要各国科技工作者在理论 上以及实验上进行长期不懈的努力，才能使激光推进从实验室走向实用! 第2 章激光对推力器热效应研究 第2 章激光对推力器热效应研究 2 1引言 由于受到有效荷载比低、发射成本高等诸多限制，传统火箭推进模式发射 卫星很难有更大的拓展空问。如何用更低廉、更高效的方式发射卫星成为研 究人员竞相追寻的目标。激光推进技术以其全新的概念备受青睐，这方面的 实验已经有了较大的进展 1 0 ，1 5 1 8 】。人们对不同推进模式、不同工质以及不 同激光强度等因素对激光推进性能的影响进行了深入研究，得到了一系列重 要成果 1 9 ，2 0 】。目前主要研究方向集中在不同因素对激光推进性能( 比如比 冲和动量耦合系数) 的影响 2 1 】。推进飞船的能量来自于激光，要使激光推进 进入实用阶段，必须提高激光器的各种参数，比如激光强度、功率、单脉冲能 量等。高性能激光对推进器反射面的影响很大，反射面温度的升高会直接影 响其反射率 2 1 】，反射率的人小又会影响作用在工质上的激光的有效能量，进 而影响激光推进的各种性能参数；另外，过高的反射面温度也会引起镜面的 形变、裂纹，甚至导致其融化 1 7 ，2 2 】。所以对激光作用反射面所引起的温度 效应的研究显得尤为重要。 2 2 激光对金属表面温度影响研究的现状 激光加载条件、物体形状、初始和边界条件以及物体的热物理性质决定了 物体温度场的时空分布。早在上世纪八十年代前国外关于激光作用金属物体 温度测试理论和实验研究进行了大量工作。b r u g g e r 【2 3 】给出了高斯分布脉冲 激光照射圆板和方板产生的温度场；m e z i n e s 【2 4 】考虑了重复频率激光对薄板 的加热问题；e 1 n i c l a w y 【2 5 ，2 6 】等进行了均匀、连续激光辐照下材料的加热、 融化等问题的解析研究；近年来袁永华等 2 7 ，2 8 】也对不同激光器作用金属靶 的温度效应进行了研究；如图2 1 所示，在连续激光的作用下，激光辐照区的 中心和边缘的温度上升至其峰值点的时问均小于激光作用的时问，尽管激光 作用没有停止，但温度达到峰值点后开始逐渐下降，这是由于铝合金材料的 热扩散系数大，激光作用时问长，平行于表面的径向热传导不能忽略。图2 2 为 脉冲激光作用涂层壳体材料的情况，在低重复频率下，激光脉冲辐照靶材产 1 3 第2 章激光对推力器热效应研究 萎匙薹庐 圣一一 l ，叠 鱼) t _ b ) l _ ( ej 图2 1 ：光斑区中心及边缘温度曲线( 实线中心温度；虚线边缘温度) ( a ) i = 4 4 0 w c m 2 ，t = 1 5 s ；( b ) i = 4 4 1 w c m 2 ，t = 5 s ；( b ) i = 4 5 9 w c m 2 ，t = 9 s 【2 7 】 l2 0 0 9 0 ( 釜6 p _ 3 0 0 o 2 55 7s l o a 毒 ( b ) l f 6 m 雕搿至勰 巴c wj 心6 0 小 ? ) 强a a 。a 曩箩一芎 气 图2 2 ：重复频率激光作用有涂层涂层壳体材料表面温度【2 8 】 生的前表面温度随微脉冲结构呈强烈的周期振荡升温。激光脉冲一来，温度 迅速上升，激光脉冲结束后，由于热量向靶内传导及靶面与环境对流、辐射换 热造成热损失，使得靶面温度快速下降。随着激光脉冲重复频率的增加，这种 温升振荡特性逐渐减弱，以致用连续激光辐照靶材时，温升振荡特性就消失 了。脉冲频率越低，激光脉冲对涂层壳体材料的间歇加热效应越明显；连续激 光比重复频率激光对材料的加热效率低。这主要是由于重复频率激光在对壳 体材料加热过程中瞬时功率密度较高造成的。 由于激光作用物体后的温度场分布- 卜物体形状直接相关，而在激光推进 实验室中，光束的反射与汇聚通常采用抛物面或者圆锥面推力器。为此，研 究推力器受激光辐照后的温度分布很有必要。蔡建等人 2 9 】利用热像仪对高 功率脉冲激光器作用旋转抛物面推力器的后续温度效应进行测量。如图2 3 所 1 4 o d 0 o ， 瀚 o 7，10 l 第2 章 激光对推力器热效应研究 示，在激光器参数以及靶场相同的情况下，不同形状推力器受激光辐射后所 051 01 52 02 53 0 b 葛 k 暑 密 e 卜 051 01 52 02 5 图2 3 ：不同推力器外壁面温度变化曲线( a ：a 推力器b ：b 推力器) 【2 9 】 表现出来的温度效应差别很大，另外实验发现，在4 9 个激光脉冲作用下( 频 率6 6h z ，单脉冲能量2 0j ) ，推力器外壁的最高温度达到了1 3 0 度，温升约1 1 0 度，假若线性外推，在2 8 5 个脉冲作用下( 约4 3 2s ) ，温度将达到铝合金的熔 化温度( 摄氏6 6 0 度) ，由于脉冲产生的最高压强达到2 3m p a ，推力器在这之 前就可能由于热一力联合冲击作用而破坏。这一结果可以定性的解释m y r a b o 的场地实验结果，说明激光推力器的研制必须考虑热一力冲击破坏作用。 另外胡云等人 3 0 】进一步研究了在大气模式和烧蚀模式两种情况下，激 光等离子体对旋转抛物面型推力器的温度效应。实验采用c 0 2 激光器，波长 为1 0 6 肛m ，工质为p o m ，图2 4 a 、b 分别表示大气模式和烧蚀模式下罩面表面 ，_ 、 o 已 k 皇 曩 - o a 蜀 。 一 ，一、 u 已 o k 皇 嗣 k o 厶 昌 b 图2 4 ：大气模式( a ) 以及烧蚀模式( b ) 下罩面表面温度一时问曲线【3 0 】 1 5 柏 o 弘弘驼孙拍舛勉孙 第2 章激光对推力器热效应研究 温度随时间变化情况，实验发现，在烧蚀模式下，推力器表面温度升的更快， 推力器的顶点处的温度最高，并且随着与顶点距离的增加，温度迅速降低。这 意味着热量主要集中在顶点处，顶点处受到的热破坏作用是最大的。 2 3 实验装置 实验中对温度的测量一般采用热电偶和热像仪。热像仪操作简单、直观， 但有温度分辨率偏低的缺点；采用热电偶虽然操作、设计相对复杂，但测量精 度相对较高，如果热电偶的两金属焊头足够小，完全可以克服由于热响应引 起的测量延迟的不足。本文利用自行设计的温度测量装置，对不同强度、不同 辐照时问的连续激光对铝合金材料旋转抛物面表面辐照时的温度效应进行了 系统研究。 实验装置如图2 5 所示，本实验采用c wn d ：y a g 激光器，波长l o “n m ， 图2 5 ：实验装置图。1n d ：y a g 连续激光器；2 分束镜；3 激光功率计：4 铝抛物面型反射 面；5 热电偶；6 放大电路；7 示波器；8 触发器；a ，b ，c 测量点( a ：顶点；b ：顶点与边沿连 线的中点：c ：边沿) 光斑直径约1 0m m ，激光输出功率连续可调，最大功率为2 5w 。分束镜的反 射率约8 ，用功率计监测输出激光功率。旋转抛物面用l y - 1 2 铝合金经数控 机床加工而成，内表面抛光，内壁反射率大于9 0 ，张口半径3 2m m ，半张角 8 9 0 ，厚1 5m m ，焦距1 5m m 【2 9 】，如图2 6 所示。温度测量采用铜康铜t 型热 电偶丝，用冰水混合物标定零点，为使铜、康铜接触点足够小，以保证热电偶 灵敏度，热电偶丝直径小于1 0 0 “m 。对罩内表面顶点、中部、外沿三点( 分别 对应图2 5 中a 、b 、c 三点) 进行测量。热电偶信号经过放大电路放大，图2 7 为 1 6 第2 章激光对推力器热效应研究 图2 6 ：旋转抛物面型反射罩照片 图2 7 ：信号放大电路图 放大电路结构图。采用k e i t h l e y 一2 0 0 0 万用电表对放大倍数进行校准，放大后的 电压信号传至a g i l e n t5 4 6 2 2 a 示波器。为保证同步，采用两台同样的示波器多 通道同时测量，在示波器与激光器之间加入外部同步触发装置，本实验在室 温为1 4 的大气环境下进行。 实验时，首先按照图2 5 调整好光路，在激光器前面放一档板，打开激光 器，直到有稳定的输出，用功率计记录输出光的功率。在移开挡板的同时触发 示波器，由此记录热电偶丝由于温度的不同导致的电压随时问变化曲线。最 后导出数据，与热电偶丝的t 分度表对应，算出不同时刻的温度时间曲线。 1 7 第2 章激光对推力器热效应研究 2 4 实验结果及讨论 2 4 1不同入射角对温度的影响 采用旋转抛物面型反射面，虽然沿轴线平行的入射光都可以汇聚于焦点， 但是不同的入射点与旋转抛物面的夹角不同，既使同一束光，由于光斑有一 定大小，切面上各点与旋转抛物面的夹角在严格意义上也不一定相等。因此， 在利用上述旋转抛物面进行实验之前，我们采用与旋转抛物面相同材料、厚 度的薄圆片对不同角度入射激光的温升情况先进行了测试。所选材料为l y - 1 2 铝合金，直径5 0m m ，厚度1 5m m ，热电偶丝用银胶粘贴于部件的背面，激光 功率为1 3w ，激光与圆片中心法线的夹角定义为入射角。测量所得的背面温 u o u 是 矗 o 厶 暑 q ( a )( b ) 图2 8 ：( a ) 激光沿不同入射角辐照薄圆片的示意图；( b ) 温度随时问变化曲线 度随时间变化的曲线如图2 8 ( b ) 所示。可以看出，在相同的激光功率下，激光 辐照后相同的时刻，温度随着激光入射角的增加而升高，这与以前的文献报 道【3 1 】基本符合。这是因为随着入射角的增大，激光作用于罩面的面积也随之 增大，因而吸收面增加，致使吸收的激光功率增加。在辐照时间为1 0 0 s 时，7 5 0 角比o o 角温度高出近l 。 1 8 第2 章激光对推力器热效应研究 2 4 2 不同激光辐照功率下各点的温度一时问曲线 采用1 0 6 4n mn d ：y a g 连续激光沿旋转抛物面的轴线入射到内壁项点，在 不同的激光功率下测量照射旋转抛物面内壁顶点、中点以及边缘的温度随时 问的变化曲线，所得结果由图2 9 所示。可以看出，当激光功率小于1w 时，激 光不能引起罩面温度的升高，各点温度基本不随照射时间变化。这主要是因 为此时激光强度过低，激光提供的能量与罩面对环境的热扩散相当。而当激 光功率大于lw 时，各点温度均随照射时问以及激光器功率的增加而升高。 图2 9 中( a ) 的曲线变化形态与( b ) 、( c ) 有很明显的不同，我们可以把图( a ) 激光辐 照点的温度时间曲线分成两个阶段：第一阶段为自激光辐照时刻开始至约3 8 s ，温度在此时间段内迅速升高；第二阶段为3 8s 之后，温度随时问升高较缓 慢且平稳。而在图( b ) 、( c ) 中，并未观察到此现象。其原因为：在激光的辐照 点，激光瞬间在材料内建立一个次热源 2 l 】，由于材料导热有一定的热响应时 问【3 2 】，热量在短的时间内米不及扩散，所以积累的热量致使温度在数秒内会 突然升高，当温度的升高到与热源温度可相比拟时，进入第二个阶段，此时热 扩散以及热传导也进一步增大，由激光提供的能量来供给热损耗以及旋转抛 物面材料对热量的吸收，使温度缓慢升高。而在远离激光入射点的地方，其温 度的升高主要来自于邻近区域的热传导，而热传导受热响应时问的限制，并 且在热响应时间内热损耗也进一步增大，所以没有突变现象。三幅图中，温度 随时问的变化曲线斜率均随时间减小。可以预见，在有限的时间内，热损耗与 激光供给能量会达到平衡，温度也最终会趋于稳定。 2 4 3 旋转抛物面内表面温度与辐照激光功率间的关系 在激光推进实验中，提高激光功率是提升荷载所获动量的最有效的方法 之一，但不同激光功率对旋转抛物面温度的影响也会很不同。我们采用不同 激光功率，在不同时刻对罩面上三点的温度进行了测试。图2 1 0 中( a ) 图为激 光辐照3 8s 时，各点温度随入射激光功率变化的曲线：此时刚好是第一个阶段 结束，温度处于相对平稳的第二阶段的开始。图2 1 0 ( b ) 为激光辐照1 0 0s 时刻 的温度功率曲线。两图均显示：在相同的时刻，内表面各点的温度均与辐照 激光功率成正比，远离辐照点的b 、c 两点更加明显。图上的数据点虽然稍有波 动，但是基本上符合线性关系。激光器的能量一部分维持旋转抛物面的温升， 另一方面通过热辐射、热传导等方式向外损耗热量。由图可以推断出，在温度 1 9 第2 章激光对推力器热效应研究 t ( 摹) t ( s ) t ( s ) 图2 9 ：不同激光辐照功率下的温度时问曲线：( a ) 项点：( b ) 中点；( c ) 边沿 u。v。_l昌_矗i。厶暑。-l u)。1暑一专厶昌- u)-i三矗ja厶暑 第2 章激光对推力器热效应研究 。 之一 o k = 矗 - o 厶 昌 u o o l 昼 矗 k 警 厶 量 一 p ( w ) 图2 1 0 ：不同时刻温度随激光入射功率的变化关系( 符号是测量数据，直线是其线性拟 合) ：( a ) 3 8s ；( b ) 1 0 0s 不是太高的情况下，激光损失能量占激光器总的输出能量的比率在此温度范 围内是相等的。而离激光辐照点愈远，直线斜率愈小，这也说明这些地方热损 耗占总的激光能量的比率越大。 2 4 4 罩面上各点的降温规律 为了研究罩