（工程力学专业论文）激光微推进的原理和应用研究.pdf

摘要 微推力器是卫星的姿态控制、轨道保持和机动的重要执行元件。随微星技术 的发展以及编队飞行技术的出现，对微推进技术提出了更高的要求。随着近年激 光推进技术的兴起，激光微推进技术已开始在微星推进领域崭露头角，成为微星 推进系统的备选方案之一。本文从机理实验和器件研制两方面入手对激光微推进 的原理和应用展开研究。 为开展激光推进靶材筛选，定标激光微推力样机模型等实验研究，建立了跨 尺度激光推进实验平台。平台的测量系统实现从1 0 n s 1 0 n s 冲量的精确测 量，当冲量为1 0 n s 时，其测量误差小于1 5 ；环境实验舱可模拟0 5 0 k m 大 气层的气压及真空条件，还可模拟不同气态靶材初始条件；平台加载系统同时装 备高功率激光器和w 级的半导体激光器以及相应的打靶光路。 研制了包括l d 激光光源、微光路、靶材供给系统、电源和控制系统的第一 代姿控激光微力器样机模型，模型尺寸为3 6 x 8 5 c m ，重量只有1 0 0 9 。以纸 片和双基药膜作为靶材进行了静态标定，实验获得的最高比冲为1 7 0 s ( 透射纸 靶) ，最高冲量耦合系数为1 9 d y n e w ( 反射双基药靶) ，激光转化推进动能的效 率n = 0 7 7 ( 反射双基药靶) ，冲量比特范围3 3 5 1 0 一n s 一1 6 i 0 一n s ，跨越 三个量级。 通过对第一代姿控激光微力器样机模型标定结果的分析，得出以下认识，提 高激光光斑的功率密度和研制专用靶材是提高激光微推进性能的关键。因此，对 半导体激光光源、光路进行改进，改进后的光斑功率密度提高了3 2 倍。借鉴高 功率激光推进靶材的制备和实验研究成果，为半导体激光推进( w 级) 制备了双 基药、赛璐珞、p m m a 和黑油漆四种薄膜靶材。实验结果显示，9 0um 厚的p m m a 靶获得的最高比冲达到1 5 4 3 7 s ，双基药靶的最高冲量耦合系数达到1 8 d y n e w 。 p m m a 、双基药、赛璐珞和黑油漆四种靶材的最高r 1 分别达到4 0 、4 4 、1 0 和 4 8 。由此可见，光源、光路和靶材的改进大大提高了激光微推进的性能。综合 来看，p m m a 和双基药的推进效果较好，其中p m m a 的冲量耦合系数虽然较小，但 比冲最高，可以作为微星姿控发动机的推进靶材；双基药冲量耦合系数较高，可 以作为轨道保持发动机的备选靶材。此外，通过对不同厚度的同种靶材进行对比 实验发现，薄靶的推进效果好于厚靶。为研制新一代激光微力器样机模型奠定了 基础。 采用抛物面反光罩作为微星主推力器模型，利用脉冲c o 。激光器进行实验研 究。实验发现，推进性能与半张角度有关，半张角越大，冲量耦合系数越高。针 对高功率激光器的脉冲加载会造成推力器热力破坏这一关键问题，尝试采用红外 热像仪和p v d f 薄膜压电传感器对推力器的外壁温升和内部流场对壁面压强进行 的实时跟踪测试，取得了初步的结果，验证了实验方法的可靠性和可操作性，实 验数据进一步证实了在激光推力器的研制中必须考虑激光的热、力冲击破坏作 用。 关键字：激光微推进、激光微推力器、冲量耦合系数、比冲、实验平台、工质、 微光路、热力冲击 a b s t r a c t s p a t i a lt h r u s t e ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tf o ra t t i t u d ec o n t r o la n d o r b i t a lm a n e u v e ra n dm a i n t e n a n c eo fas a t e l l i t e a st h e r a p i d d e v e l o p m e n to fm i c r o - s a t e l l i t et e c h n o l o g ya n d t h em i c r o s a t e l l i t e f o r m a t i o nf l y i n g ，t h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n tf o rm i c r o t h r u s t e ri sm o r e s t r i c t w i t ht h er e c e n td e v e l o p m e n t ，l a s e rm i c r o p r o p u l s i o ni sb e c o m i n g o n eo ft h ec h o s e np r o p o s a l sf o rm i c r o s a t e l l i t e sd r i v i n g t h i s d i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no fl a s e r m i c r o p r o p u l s i o nt h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ep a r t so fal a s e r m i c r o t h r u s t e rm o d e l i no r d e rt oc o n d u c tt h es t u d ye x p e r i m e n t a l l y ，w ed e s i g n e da n db u i l t am u l t i s c a l et e s tp l a t f o r mi nt h el a bf o rm e a s u r i n gt h ei m p u l s e si n d u c e d b yt h el a s e ra b l a t i o na c c u r a t e l y t h ep l a t e f o r mi n c l u d e st h e1 a s e rl o a d i n g s y s t e m ，t h ev a c u u mc h a m b e r sa n dt h ei m p u l s i v et e s te q u i p m e n t t h el o a d i n g s y s t e mi n c l u d e st h eh i g hp o w e ry a gl a s e r ，t h ewm a g n i t u d eo u t p u tl dl a s e r a n dt h er e l e v a n to p t i c s t h ev a c u u mc h a m b e rc a ns i m u l a t et h ea t m o s p h e r e p r e s s u r ef r o m0 5 0 k ma b o v et h es eal e v e la n dcanb ef i l l e d w i t ho t h e r d i f f e r e n tg a s e sf o rt e s t i n g t h ei m p u l s em e a s u r e m e n tr a n g eo ft h es y s t e m i sf r o mi 0 一n st ol o - 3 n s a n dt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a n1 5 f o rt h es m a l l e s ti m p u l s eo f1 0 一n s t h ef i r s ta t t i t u d ec o n t r o ll a s e r m i c r o t h r u s t e rp r o t o t y p em o d e l d e v e l o p e di nt h i sl a bi sr e p o r t e d t h em o d e li n c l u d st h el d1 i g h ts o u r c e 、 m i c r o l e n s 、t a r g e tp r o p e l l a n ts u p p l yd e v i c e a n ds i g n a lr e c e i v i n ga n d c o n t r o l l i n gd e v i c e t h em o d e ls i z ei s8 5 3 6 c m ，a n dw e i g h t so n l y1 0 0 9 b l a c ki n kp a p e ra n dd o u b l eb a s ep r o p e l l a n ta r eu s e da st h ea b l a t i o nt a r g e t m a t e r i a l su n d e rt h es t a t i ct e s to ft h em o d e l 。t h eb l a c ki n kp a p e ru n d e r t r a n s m m i s s i o nm o d eg e t st h eh i g h e s t s p e c i f i c i m p u l s ei s p = l t o s ，a n dt h e d o u b l e b a s ep r o p e l l a n tu n d e rr e f l e c t i o nm o d eg e t st h eh i g h e s tm o m e n t u m c o u p l i n gc o e f f i c i e n tc m = 1 9 d y n e w t h er a t i ono ft h ej e tk i n e t i ce n e r g y o v e rl a s e re n e r g yis0 7 7 ，a n dt h ei m p u l s eb i to ft h em o d e lr a n g e sf r o m 3 3 5 1 0 n st o1 6 1 0 一n s a f t e ra n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t so ft h ef i r s tm o d e l ，i ti sc o n c l u d e d t h a te n h a n c i n gt h ef o c u s i n gp o w e ri n t e n s i t yio nt h el a s e rs p o ta n d d e v e l o p i n g s u i t a b l e t a r g e t m a t e r i a lcani m p r o v et h e p r o p u l s i o n p e r f o r m a n c e a f t e ru p g r a d i n g ，io ft h en ewl dl e n si s3 2t i m e sh i g h e rt h a n t h eo r i g i n a ll dl e n s 4t a r g e t so fp m m a ，d o u b l eb a s ep r o p e l l a n t ，c e l l u l o i d a n db l a c kp a i n ts h e e t sa r em a d e o u r s e l v e si nt h el a b t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ti s do fp m m at a r g e ti n c r e a s e st o1 5 4 3 7 s ，c mo fd o u b l e b a s ep r o p e l l a n ti n c r e a s e st o1 8 d y n e w ，a n dr lo fp m m a ，d o u b l eb a s e p r o p e l l a n t ，c e l l u l o i da n db l a c kp a i n th a v ei n c r e a s e dt o4 0 ，4 4 ，1 0 a n d 4 8 r e s p e c t i v e l y f r o mt h er e s u l t sw ec a ns e et h a tt h ee n c h a n t m e n to f ia n dt h es u i t a b l ea b l a t e d t a r g e t s h a v e i m p r o v e d t h e p r o p u l s i o n p e r f o r m a n c eg r e a t l y p m m ac a nb eu s e da st h et a r g e tc a n d i d a t ef o rt h e a t t i t u d ec o n t r o l 1 a s e rm i c r o t h r u s t e rb e c a u s eo fi t sh i g h e ri s p ，a n dt h e d o u b l eb a s ep r o p e ll a n tc a nb eu s e df o r t h et a r g e to fo r b i tm a i n t e n a n c e l a s e rm i c r o t h r u s t e rb e c a u s eo fi t sh i g h e rc m c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft a r g e t sw i t hs a m ep r o p e l l e a n tb u td i f f e r e n tt h i c k n e s s ，i tcan b ef o u n dt h et h i n n e rt a r g e tg e t sb e t t e rp r o p u l s i o np e r f o r m a n c e t h ea b o v e r e s u l t scanb ea p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to fnewl a s e rm c r o t h r u s t e r m o d e l u s i n gap a r a b o li cr e f l e c t o ra sam a i n 1 a s e rt h r u s t e r sm o d e l f o r m i c r o s a t e l l i t e w i t hah i g hp o w e rt e a c 0 2p u l s e dl a s e r ( 2 0 j p u l s e ， 6 6 1 5 0 h z ) ，b o t hs i n g l e a n dm u l t i p u l s ep r o p u l s i o ne x p e r i m e n t sare c o n d u c t e df o rt h r e ek i n d so ft h ep a r a b o l i cm o d e l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w t h a tt h ec mi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fh a l fo p e na n g l eo ft h e m o d e l a n dt h ec m o fm u l t ip u l s ee x p e r i m e n t si sm u c hl o w e rt h a nt h es i n g l e p u l s ec a s e t h ep v d fs t r e s sg a u g e sa n dt h ei n f r a r e dc c dc a m e r aa r eu s e d t om e a s u r et h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no nt h e w a l lo ft h em o d e l t h ee x p e r i m e n t sn o to n l yc h e c kt h et e s tm e t h o d ，b u t a l s os u g g e s tt h et h e r m o m e c h a n i c a li m p a c te f f e c ts h o u l db et a k e ni n t o a c c o u n ti nt h el a s e r t h r u s t e rs t u d y k e y w o r d s ：l a s e rm i c r o p r o p u l s i o n ，l a s e rm i c r o t h r u s t e r ， m o m e n t u m c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，s p e c i f i ci m p u l s e ，t e s tp l a t e f o r m ， p r o p e l l a n t ，m i c r o o p t i c s ，t h e r m o m e c h a n i c a li m p a c t 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 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，允许论文被查阅或借阅，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：豢建 沙9 7 年厂月， 日 致谢 本文是在导师唐志平教授悉心指导下完成的。唐老师渊博的学识、敏锐的科 学洞察力、严谨求实的治学态度以及循循善诱的教导方法，使我在多年来的学习 和研究过程中受益匪浅。在本文的成文过程中，唐老师的耐心教诲和严格要求也 将使我终生受益。在此，谨向导师表示深深的谢意和衷心的感谢。 感谢胡晓军老师在学习、工作上不断地给我指导与鼓励，并在实验研究上给 予了全力的支持。 感谢廖香丽老师，在实验室工作、学习、生活的六年里给了我无微不至的关 心照顾，让实验室有了家的温暖。 感谢实验室的各位兄弟姐妹在各个方面给我的帮助，一起学习、生活的几年 里，他们带给我很多快乐。特别感谢郑航、郭海、彭杰和李龙在实验工作中给我 的大力协助和配合。 感谢家人，他们的支持和期待使我温暖在心，是我前进的最大动力。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 一般将重量低于l o o k g 的小卫星称作微星。微星的制作和发射成本低，隐身 性好，随着m e m s 技术的快速发展，微星的自身功能愈来愈强，能方便地执行轨道 机动、接近侦察等航天任务。微星还可通过组网、编队、以及微星星座等可以完 成许多复杂昂贵的大卫星所无法完成的工作，如组成分布式s a r 、卫星三维立体成 像、高分辨率合成孔径对地遥感等“。 但是，卫星的微型化和卫星编队也对推进系统提出了更为苛刻的技术要求。 由于微星体积小重量轻、转动惯量小，用于姿态控制和轨道保持所需的推力更小， 精度更高。微星在编队飞行时，为维持相对位相，就必然对卫星间相对轨道位置 的保持也提出更高的要求。因此，除了推力小，精度高，还要求推力( 冲量) 有 较宽的调节范围。根据卫星相对位置控制精度要求和控制周期的不同，所需冲量 脉冲范围1 通常在1 0 - 9n s l o “n s ( 纳牛秒一毫牛秒) ，跨跃7 个量级。此外， 微星能够提供的电源也有限，电压一般在3v 1 2v ，总功率在数瓦一数十瓦范 围。因此，必须研发适合于微星使用的高效、轻型、低功耗、小推力、微冲量、 长寿命的微型推进系统。随着近年激光推进技术的兴起，该技术已开始在微推进 领域崭露头角，成为微星推进系统的备选方案之一。 1 2 激光推进技术 l2 1 激光推进技术的概念 激光推进( l a s e rp r o p u l s i o n ，l p ) 的概念是由a v c oe v e r e t t 实验室的 a r t h u rk a n t r o w i t z 于1 9 7 2 年首先提出的。图1 1 是k a n t r o w i t z 提出的激光 推进概念原理图，显示采用地面激光设备发出的激光经聚焦后驱动飞行器的过 程。激光推进的基本原理是利用激光与工质相互作用产生的等离子体爆炸气团进 行驱动的。与传统的化学推进相比，激光推进在概念上的创新可以主要归结为两 个分离：1 、推进剂和能量的分离，2 、飞行器和能源系统的分离。第一个分离使 推进剂做功的能量由外来激光注入，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。第二个分离使得飞船不必携带笨重的 能源系统，入轨有效载荷比可达1 5 以上，、大大降低发射成本( 据国外估算可 降低2 个数量级) 。由于可采用非含能工质，提高了发射的安全性。 第一章绪论 p a e h l e o 一2 5 n 图1 1k a n t r o w i t z 提出的激光推进概念原理图 9 0 年代以来，由于各国科学家的研究，特别是美国r e n s s e l a e r 理工学院的 l m y r a b o 教授和p h o n o i ca s s o c i a t e s 的c r p h i p p s 博士分别领导的研究组 的努力，对于激光推进的基本原理、驱动方式已有较明确的认识。其驱动模式可 分为两大类：大气模式和烧蚀模式( 图1 2 、1 3 ) 。当飞行器位于大气层内时， 可利用飞行器尾部抛物面反射镜聚焦地基激光的入射能量，在焦点处点燃空气等 离子体，产生激光支持的空气点爆炸，爆炸产生的冲击波使飞行器获得向上的冲 量，称之为“大气模式”，这时飞行器不消耗自身重量。当处于大气上层( 3 0 k m 以上) 或外空间时，该模式己不足以产生所需的动力，这时转为激光束烧蚀飞行 器自携推进剂( 下文称为靶材) 形成等离子体气团产生反冲力，称之为“烧蚀模 式”。由于激光等离子体可达到很高的温度，激光推进可产生高于化学推进的比 冲。 图l2 激光推进大气模式示意图图1 3 激光推进烧蚀模式示意图 2 第一章绪论 1 2 2 激光推进的主要参数 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 皿即： q = 名 ( 1 - 1 ) 式中e 为入射在靶材上的激光能量，i 是靶材在激光辐照下获取的冲量，由 ( 1 1 ) 式还可推出 f = p c 艉 ( 卜2 ) 式中，f 为激光辐照靶面产生的推力，p 为激光辐照功率。c 的单位为n s j 或n w 。 由( 卜2 ) 可见，相同激光功率下，c m 大，推力f 就越大。 除了冲量耦合系数，还引入比冲i s p 来衡量推进效果。i s p 定义为消耗单位 质量推进剂所产生的冲量，即 l = ，m g ( 卜3 ) 式中g 为重力加速度，所为激光烧蚀靶材引起的质量迁移，按上式定义的 i s p 的单位为s 。比冲越大，推力器所需携带的燃料就越少，有效载荷就能进一 步的增加。 引入，7 来衡量激光能量转化成为等离子体运动动能的效率，它与比冲，冲 量耦合系数有如下关系： 刁= c m j 印g 石e 5 ( 卜4 ) 比冲和冲量耦合系数的单位分别是s 和d y n e w ，g 的单位式m s 2 。通常对于吸热 型工质，效率总是小于l 的，所以可得到 c m l 1 ，说明光束存在像散，光束偏离了高斯形。 由于l d 在垂直和平行于结平面方向有不同的像散，因而在两个方向有不同的m 2 值。近似取发光面为束腰的位置，则实验中使用的半导体激光器两个方向的m 2 值如下： m ：；塑丛：! ! ! ! 兰! ：! 兰：0 6 7 4 424 0 9 7 5 1 8 0 。 1 1 2 - - - - r r d 4 0 u a o u 焉筹等= 2 8 0 9 由计算结果可见，垂直方向的光束质量很好，而水平方向上光束质量非常差，当 用普通光学聚焦系统对l d 发光面近场成像时，由于像散的存在会在焦线上出现 两个像点，所以只能先对两个方向的光束分别进行整形后才能聚焦。因此对l d 采用图2 2 2 所示的整形光路，先在真空舱外由柱面镜l l 对横轴方向的光束进行 简单准直，柱面镜l 2 对侧轴方向的光束进行简单准直，荐经过平面窗口a 2 进入 真空舱，由球面透镜l 3 对两个方向的准直光进行汇聚。但在光路调节中发现， 由于光路采用了两个方向垂直的柱面透镜，光路极难同时调到最佳效果。实验中 还发现，l d 的输出功率随着工作时间的增加而衰减，两个方向的发散角也同时 增大，光路需要不断调整，所以这套光路的聚焦效果始终不佳，很难得到1 0 0l - t m 以下的聚焦光斑。 臂撼 光嚣 赛缱 图2 2 2l d 打靶光路 为了提高激光聚焦光斑的质量，简化光路设计，我们又研制了光纤输出半导 体激光器( f c l d ) 作为光源的打靶光路。f c l d 在垂直和水平方向上的m 2 光束质 量因子分别只有0 9 0 2 和0 9 6 1 ，较普通l d 有很大改善。为进一步提高聚焦光 第二章激光推进机理实验平台 斑的功率密度，委托o z 公司计加工了专用微光路聚焦镜头，镜头通过s g a l 0 5 型接头与光纤连接( 图2 2 3 ) ，光路系统的透光率达到了9 5 。该聚焦镜头能在 1 0 r a m 焦距处将光斑压缩到5 0um ，激光光斑的功率密度达到了7 2 1 0 w c m 2 。 图2 2 3f c l d 打靶光路 2 3 2 3 真空实验舱 图2 ，2 4 是真空实验舱的照片。实验舱由不锈钢制成，高度6 0 0 r a m ，直径 5 0 0 r m n ，真空度可达p a 级，舱壁配有多路光学观察窗口和信号传输通道。 图2 2 4 真空试验舱 2 3 2 4 对焦和靶材移动系统 真空试验舱开启一次的工作量较大，为实现一次密封、多组实验的目的，我 们设计了图2 2 5 所示的激光对焦和靶材移动机构。各机构的功能如下： 1 ) 扭摆转角调节器：实现不同角度打靶及扭摆位置的调整； 2 ) 扭摆高度调节器：实现对靶的不同高度位置的进行打靶 第二章激光推进机理实验平台 3 ) 靶材平移台：相对于入射激光横向方向移动靶； 4 ) 对焦平移台：沿光轴方向调整聚焦位置，改变激光功率密度。 图2 2 5 移动对焦系统 幽2 2 6 移动机构的外控制电路箱 整套移动机构由计算机信号控制，步进电机驱动。扭摆高度调节器、靶材 平移台和对焦平移台的步长精度为6i lm s t e p 、转角调节精度达到 13 01 1r a d s t e p 。计算机信号必须经过图2 2 6 所示的外控制电路的编码和功率放 大才能驱动步进电机。 2 3 2 5 光杠杆系统 光杠杆系统由扭摆振子、测量激光和标尺组成。测量激光被振子中心的镜 第二章激光推进机理实验平台 面反射后投射在标尺上( 图2 2 7 ) 。当振子偏转0 角时，测量光束的入射和反射 的夹角就改变了20 ，相应的偏转幅度可通过标尺读出。在小角度情况下，20 约等于振幅除以半光程。理论上，光程越长，e 角的分辨率就越高。 图2 2 7 光杠杆光斑与标尺 2 3 2 6 扭摆的标定 扭摆仪的测试指标定在1 0 一一1 0 一n j 问，为了保证扭摆具有较高的测试精 度和跨量级测量，必须对扭摆仪的测试范围和精度进行严格标定。 由能量守恒和角动量守恒定律，可以推导出扭摆偏角和冲量之间的定标关 系： 号r 挣浯1 2 )秒v 三 其中，p 是作用于扭摆的冲量，口是扭摆偏转的角度，r 是冲量作用臂的长度， g j 是扭丝的剪切模量和转动惯量，是扭摆振子的转动惯量，上是扭丝的有效长 度。 为了能够达到1 0 1 ”s 量级的测试精度，扭丝选用直径在1 0 0 1 t m 内的铍青 铜线，因为它既具有较好的弹性又有较高的屈服极限，g j 值可以控制在l o 一 。p a m 4 量级；扭摆有效长度上控制在1 0 c m 左右；扭摆振子采用细铜丝制成，形 状规则，转动惯量控制在1 0 4k g r a 2 左右；杠杆系统的长度4 l i l ，扭摆偏角的分辨率 优于0 2 a t r a d 。通过这样的设计，能保证扭摆的冲量分辨率不低于l o n s 。 其中，g j 值的定标对实验误差的影响最大，定标难度也最高，因此，采取 理论计算和实验两种方法对扭丝的g j 值进行定标。 第二章激光推进机理实验平台 理论计算的公式如： g v ：三g( 2 1 3 ) 其中，g 可以根据国标g b t 1 2 3 9 6 - 9 2 查得，d 是扭丝的直径。由螺旋测微器测 量的扭丝直径为5 7 5 p m ，通过计算得到则g j = z 1 3 2 x g = 5 6 9 x 1 0 一p a m 4 ； 有效长度长度是l = o 1l1 4 m ； 实验法是通过测量扭摆自振频率来求g j ，g j 与扭摆自振频率、扭摆有 效长度和是振子的转动惯量，的关系如下， g j = l l c 0 2 ( 2 1 4 ) 其中振子的转动惯量是通过计算得来的。采用直径为0 5 m 得铜丝制成展宽4 c m 、 规则形状的标准振子，由计算得振予转动惯量，= 1 1 8 x l o 。7 k g m 2 。通过秒表连续 记录扭摆振动2 0 次的时间，平均周期是t 是0 6 s ，频率为0 9 = 2 z t = 6 5 4 r a d s ， 将，、国带入甜= “国2 计算得出g y = 5 6 3 1 0 - 。k g m 2 。可见由计算法和测量法 得出的甜值相差很小。 实验中采用的光杠杆的长度4 m ，光斑在水平标尺移动的分辨率是5 m m ，由 此，光杠杆系统的角度分辨率6 i n h ：o 1 2 5 m r a d ：将e 嘶、g j 、i ，r 带入公式( 2 1 2 ) 可得 詈= 去撵= 1 5 x l o o n s o 1 2 5 m r a d ： 2 3 2 7 测试误差分析 由式( 2 - 1 2 ) 可导出测试冲冲量的误差表达式 胛一孕警+ 厚昙欲+ 晏c 三j 暑世+ 三睁+ 丢手c 甜， ( 2 - 1 5 ) 其中，各参数误差分别为口= 1 2 5 x 1 0 _ 4 r a d ，a l = 5 x 1 0 一m ， a ( g d ) = 6 x 1 0 。o p a - m ，a r = 2 x 1 0 。m ，a = 2 6 x 1 0 - 9 k g m 2 ，将它们带入( 2 - 1 5 ) 可得冲量的绝对误差和相对误差的表达分别为： a p = 1 5 0 x 1 0 4 + o x 8 3 2 x 1 0 4 ( s ) ( 2 1 6 ) 第二章激光摊进机理实验平台 a p ：1 2 5 x 1 0 + 6 9 3 1 0 。3( 2 1 7 ) pe 由式( 2 - 1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 可知，随着冲量( 偏转角) 的增加，测量的绝对误差 增大而相对误差降低。当冲量较小时，转角判读误差项占误差的主要部分，当冲 量较大时，偏转角度项将构成冲量误差的主要部分。表2 3 列出该仪器能测得的 最大与最小冲量范围( 取决于最大偏转角和最小分辨角) 及相应误差值。由表 2 3 所示，最大相对误差发生在测量下限，达1 5 。 通上面的定标结果可见，这套扭摆可满足冲量在1 0 一一1 0 一n s 精确测量。 为扩大冲量范围，可通过减小扭摆有效长度、增加振子转动惯量和选用较粗铍青 铜线等方法来实现，例如：扭摆有效长度l = 5 c m ，振子转动惯量1 = l x l 0 4k g m 2 ， 扭丝直径d = 1 2 0 u m 1 5 0 1 1 m ，那么就可实现l 旷1 0 4 n s 的精确测量，最小分辨 率为1 n s 表2 3 冲量的误差值 偏角( m r a d ) 相对误差( ) 冲量( 1 0 4 n j ) 绝对误差( 1 0 4 n j ) 0 8 7 5 l0 51 5 71 5 o 1 7 52 1 01 6 5 7 8 8 7 5 1 0 ，52 2 22 1 8 7 51 0 0 58 0 4 o 8 5 0 06 0 0 4 2 oo 7 2 4 小结： 为开展激光推进靶材筛选，定标激光微推力样机模型等实验研究，建立了跨 尺度激光推进实验平台。平台的测量系统实现从1 0 8 j 一1 0 4 n z 冲量的精确测 量，当冲量为1 0 n s 时，其测量误差小于1 5 ；环境实验舱可模拟0 - - 5 0 k m 大 气层的气压及真空条件，还可模拟不同气态靶材初始条件；平台加载系统同时装 备高功率激光器和w 级的半导体激光器以及相应的打靶光路。 第三章。第一代姿控激光微推力器样机模型的研制 第三章第一代姿控激光微推力器样机模型的研制 3 1 引言 随着激光技术的发展，l d ( w 量级) 所具有的重量轻、电光转化效率高的 特点能很好满足在轨微星的在电源、体积、质量等方面的苛刻要求，成为研制星 载姿控激光微推力器的首选光源。2 0 0 0 年起，美国p h i p p s 等开始利用l d 作为 光源进行激光微推力器的研制工作“0 一。国内激光微推进技术研究的起步较晚， 中科大的李静等人开展了l d 打靶实验呻1 ，主要研究微冲量测试方法，尚未涉及 激光微推力器的概念。 本章将从器件角度出发，开展姿控激光微推力器样的设计，集成包括光源、 微光路、电源、控制系统和靶材供给系统的微推力器样机模型，并对模型的推进 性能进行测试。通过分析实验结果，为下一代样机模型的研制提出改进方案。 3 2 激光源和靶材的定位 p h i p p s “”在整理了各种波长激光烧蚀阀值的数据后，给出等离子点火所需的 激光能量密度域值中。和脉宽t 的关系为 o n 2 血6 ( 3 1 ) 式中h 、b 是拟合参量。图3 1 是由实验数据拟合得到的曲线，图中给出拟合参 量a - 1 5 2 1 0 1 ，b = o 4 1 。图3 1 可见，当激光脉宽为1 0 0 ps 时等离子体点火 所需的激光功率密度高达l 一3 姗c m 2 ，当脉宽延长到3 0 0 m s 时，功率密度降到 3 0 k w c f f 。( 3 - 1 ) 式和图3 1 为激光微推力器的激光源和靶材的选取给出了依据。 对于l d 而言，输出激光功率仅w 量级，但是，如果将l d 辐照光斑直径压 缩到1 0 0 “m 内，并且经过m s 量级的能量沉积就有可能烧蚀靶材。不过辐照时间 较长，靶材热扩散造成的激光能量损失不可忽略，因此应选择热导率系数较低的 聚合物作为推进靶材。 由于采用短脉冲( 高功率) 激光器件可以大大降低等离子点燃的能量阈值， 从而扩展靶材的选择范围。p m p p s 等人预计啪1 ，随着微型高功率短脉冲激光器 的应用，采用烧蚀金属的激光微推力器的比冲可提高至3 0 0 0 s ，而且金属靶的烧 蚀产物对卫星的污染较聚合物要小的多。脉宽的缩短也可以大大减少靶面因热传 导而损失的能量。随着激光技术的发展，质量轻、体积小的光纤激光器的输出功 率也在不断提高( 目前单脉冲只能产生uj 级的能量) ，将来最先有可能应用于 第三章第一代姿控激光微推力器样机模型的研制 激光微推力器。目前这两种激光器还处于研发阶段，无论是尺寸、重量、功率还 是转换效率都不适合于星载激光微推力器使用。因此，第一代激光微推力器样机 模型研制中的激光源和靶材必须定位于输出功率w 级的l d 和聚合物工质。 图3 1 能量击穿阀值和脉宽的关系 3 3 激光微推力器样机模型的设计 3 3 1 设计框架 口 口i | 图3 2 激光微推力器样机模型的设计框架 激光微推力器样机模型由光源、微光路、靶材供给系统、电源、指令接收 和信号控制系统等五部分组成，各部分之间的关系如图3 2 所示。l d 的输出光 束经过微光路整形后烧蚀供给系统提供的靶材，指令接收和信号控制系统根据接 第三章第二代姿控激光微推力器样机模型的研制 收指令控制激光脉冲的宽度、频率和脉冲数，以及靶材供给系统的相应运动，以 更换靶材。 3 3 2 设计指标 样机模型技术指标参考表1 1 、1 2 和1 4 制定，可满足5 k g - - 2 0 k g 微星的 姿态精确控制和轨道控制的要求，具体设计指标如表3 1 所示。 表3 1 激光微推力器样机模型的设计指标 模型部件具体技术指标 光源国产l d ；输出功率2 w ，输入电压1 7 v ，电流2 3 a 微光路分离式光路；透镜需定制 工作焦距1 5 舢； 光斑直径1 0 0 u m ； 功率密度1 0 w c m 2 靶材供给机构点火次数 1 0 0 ，0 0 0 次 t t l 电平翻转触发步进电机 步进精度5 m r a d 电源 蓄电池组供电， 输出电压1 7 、，电流o 一2 5 a 可调 t t l 高电平触发工作 信号控制系统脉冲个数、频率和占空比可调 频响1 k h z 模型整机 重量一 2 0 0 9 比冲2 5 0 s ：冲量耦合系数5 d y n e w 最小冲量比特1 0 一7 n s ： 最大冲量比特l o 一6 n s 。 第三章第一代姿控激光徽推力器样机模型的研制 3 4 激光微推力器样机模型各部件研制 3 4 1 光源 采用国产海特连续型l d ( 图2 2 0 ) 作为光源，型号为l d m - 0 9 8 0 - 0 0 2 w - 5 ，波 长0 9 7 51 1m ，发散角3 0 0 7 0 ，发光区的长2 0 0 1 u n 、厚1i lm ，峰值输出功率2 w ， 通过控制激光电源的开闭实现l d 的脉冲工作。 3 4 2 微光路的设计 卜邕 彩八 图3 3 半导体激光器的和远场光强分布 由于l d 。”对发光区几何尺寸的极不对称，其远场呈椭圆状，其长短轴分别 对应于横向与侧向，如图3 3 所示。由于半导体激光器发光层较窄，因而在垂直 方向有较大的发散角( 所用激光器的9 = 3 0 0 ) ，在水平方向的发光层长，其发 散角较小( 口n = 7 0 ) 。近似取发光面为束腰的位置，根据( 2 1 5 ) ，l d 两个方向 的朋4 值分别如： 肘：型以：! ：! ! ! ! ：! ! ：0 4 2 3 4 a4 0 ，9 7 5 1 8 0 。 f u 2 = 警器= 1 9 6 6 由计算结果可见，垂直方向上的光束质量很好，而水平方向上的光束质量非常差。 当用普通光学聚焦系统对l d 发光面近场成像时，由于像散的存在会在焦线上出现 两个像点，所以只能先对两个方向的光束分别进行整形后才能聚焦m 1 。 真空扭摆仪的l d 打靶光路中曾采用图2 2 2 所示的整形光路，但整形后的激光 能量呈图3 4 a 所示的星形分布，烧蚀靶材的形貌难以盘读，光斑最好呈近圆形。 基于以上考虑，在样机模型中将对l d 光束采用两次整形光路设计。 第三章第一代姿控激光徽推力器样机模型的研制 亚 直 o & 星形分布b 近圆分布 图3 4 激光能量的分布 图3 ，5 就是l d 的两次整形光路的示意图。由l 1 、1 2 、l 3 构成图3 5 所示 方案的初步整形光路，l 4 、l 5 构成二次整形光路。其中，柱面镜l l 对垂直方向 的光束进行简单准直，柱面镜l 2 对水平方向的光束进行简单准直，两个方向的 准直光再由球面透镜l 3 汇聚，完成第一次整形。由于l d 的两个方向的发散角度 相差4 3 倍，l 1 、1 2 的焦距相应为3 5 m m 和1 5 m ，l 3 透镜的焦距为6 m m ，直径 都为5 m m 。l 3 的聚焦光斑将落在l 4 的焦距位置，并由l 5 完成聚焦。l 5 的通光 孔径为2 0 r a m ，焦距也是2 0 r a m 。经测量，由于经过两次整形，光路最后对0 9 8 0 u m 激光的透光率为5 8 ，光斑直径约为1 3 0 p m ，功率密度达到0 8 8 1 0 4 w c m 2 ， 接近1 0 w c m 2 的设计指标。 c o l l h n a t i n gt e l e s o o p e 图3 5 半导体撤光管整形光路设计