葉繼飛，洪延姬，王廣宇，李南雷

(1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院研究生院 北京101416;2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部 北京101416)

1 引言

自激光推進(jìn)概念誕生以來，激光推進(jìn)技術(shù)從概念到實現(xiàn)，從理論到應(yīng)用，從模型到產(chǎn)品，不斷地經(jīng)歷著一次次新的變革。伴隨著激光推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光推進(jìn)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展：從最初的發(fā)射入軌的設(shè)想，延伸到空間領(lǐng)域的清除碎片，衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制，以及近空間的推進(jìn)任務(wù)等等［1］。其中，激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)作為微小衛(wèi)星姿軌控的應(yīng)用技術(shù)，倍受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。在激光技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，激光器的功率水平、激光遠(yuǎn)距離傳輸?shù)热源嬖诩夹g(shù)瓶頸，這使得激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)在當(dāng)前階段成為眾多激光推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)中比較現(xiàn)實的應(yīng)用之一［2］。美國Photonic Associates(PA)的Phipps小組研制了一款激光等離子體微推力器(micro-Laser Plasma Thruster，μLPT)，該推力器采用瓦級半導(dǎo)體、ms量級脈寬燒蝕固體工質(zhì)靶帶，用于美國空軍TechSat21型衛(wèi)星的姿軌控任務(wù)［3］。激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)首次應(yīng)用于實踐［4］使美國人在激光微推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域走在世界前列。而Phipps等人的成果也證明了激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)的研究潛力及其應(yīng)用的可行性。

2 工作模式

激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)屬于激光推進(jìn)技術(shù)中的燒蝕模式［5］，是利用激光與物質(zhì)在百微米尺度上的相互作用燒蝕機理進(jìn)行工作。在激光燒蝕靶材整個過程中，主要的物理過程有靶材的受熱升溫、熔融氣化、激光強度足夠強時產(chǎn)生等離子體，以及高溫氣體或等離子體高速噴射產(chǎn)生推力等階段。激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)的顯著特點是：單脈沖燒蝕產(chǎn)生微小噴射形成的沖量小，即沖量比特小，最小沖量比特(MIB)可以達(dá)到nN·s量級。另外，激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)相比其他微推進(jìn)技術(shù)而言，還具有比沖高、沖量調(diào)節(jié)范圍大、污染小、推力器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點［6］。

具體來講，激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)利用半導(dǎo)體激光器或其他結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的激光器作為能量源，將激光整形聚焦于工質(zhì)靶表面，通過微燒蝕過程，形成靶物質(zhì)噴射，實現(xiàn)沖量耦合，產(chǎn)生推力。根據(jù)激光器與工質(zhì)靶的性能與狀態(tài)的不同，總結(jié)目前相關(guān)研究和報道，可以將激光微推進(jìn)的工作模式從如下5個角度進(jìn)行區(qū)分［7］。

(1)激光器工作模式不同：連續(xù)式和脈沖式

激光器通常有兩種工作模式：連續(xù)模式和脈沖模式。2002年，Phipps小組報道采用連續(xù)輸出的半導(dǎo)體激光器燒蝕固體工質(zhì)靶［8］，噴射物質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定，燒蝕噴射羽流與運動的橫向速度疊加，形成穩(wěn)定的噴射角度。脈沖式是實驗室條件下靜態(tài)實驗的主要工作模式，微推力器采用脈沖式工作模式最接近實驗室條件下的測量結(jié)果，另外，脈沖方式工作使得激光能量利用率高，能夠形成更好的推進(jìn)性能參數(shù)，脈沖之間的空時間有利于激光器的散熱［9］。

(2)激光脈沖長短不同：ms長脈寬和ns短脈寬

根據(jù)脈沖的長短來區(qū)分工作模式是因為在不同脈寬的激光燒蝕情況下，燒蝕推進(jìn)性能截然不同。ns短脈寬激光燒蝕材料的比沖通常比較高，可達(dá)幾千秒甚至上萬秒，ms長脈寬激光燒蝕材料的比沖一般僅為幾百秒［10］。相應(yīng)地，ms長脈寬激光燒蝕材料的沖量耦合系數(shù)可達(dá)幾十甚至上百dyn/W，而ns短脈寬激光燒蝕材料的沖量耦合系數(shù)通常在1.0×10-4N/W以下［11］。

(3)固體靶結(jié)構(gòu)不同：透射式和反射式

這是一種在激光燒蝕固體靶帶情況下典型的分類方式，是以工質(zhì)靶結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行區(qū)分的。圖1為反射式工作模式，物質(zhì)的噴射與激光組件在靶同側(cè)，激光直接燒蝕靶材產(chǎn)生噴射;在透射式工作模式情況下，物質(zhì)的噴射與激光組件在靶異側(cè)，激光穿過一層透明基底燒蝕工質(zhì)層，使工質(zhì)層在透明基底的約束下產(chǎn)生噴射。反射式工作模式的主要缺點是污染問題，燒蝕產(chǎn)物向激光組件一側(cè)噴射，可能在光學(xué)器件上形成沉積，污染光學(xué)鏡頭，使推力器推進(jìn)性能，乃至壽命受到影響。透射式工作模式有透明基底的保護，光學(xué)鏡頭不易受污染，但是，基底材料是不參與燒蝕的死質(zhì)量，推進(jìn)性能的可擴展空間受到一定限制。因此，在應(yīng)用過程中，需要考慮任務(wù)中的具體需求，權(quán)衡模式的利弊，選擇合理的工作方式。

圖1 反射式與透射式工作模式示意圖Fig.1 Sketchs of reflection and transmission modes

(4)工質(zhì)物相不同：液體工質(zhì)和固體工質(zhì)

按照工質(zhì)物相的狀態(tài)可以區(qū)分為固體工質(zhì)和液體工質(zhì)工作模式，而對于氣體用作微燒蝕推進(jìn)工質(zhì)的情況，尚無相關(guān)報道。兩種物相工作模式的主要區(qū)別在于供靶方式的不同。

固體工質(zhì)易于加工，可制作成線狀靶和面狀靶。供靶方式又可區(qū)分為靶帶纏繞式、線狀纏繞式，以及靶片磁盤式。如圖2所示，Phipps小組ms-μLPT產(chǎn)品采用是固體靶帶纏繞式工作模式。液體工質(zhì)的工作模式較為簡單，常用的就是擠壓方式，將一定流量的液體工質(zhì)壓出并完全燒蝕掉，再進(jìn)行下一次供靶［10］。

圖2 ms-μLPT產(chǎn)品內(nèi)部實物圖Fig.2 Photo of ms-μLPT

(5)工質(zhì)是否含能：點火模式和燒蝕模式

點火模式所采用的工質(zhì)是含能的，激光燒蝕含能工質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)釋放工質(zhì)能量產(chǎn)生噴射形成推力。燒蝕模式是指激光燒蝕惰性材料，靠沉積的激光能量燒蝕工質(zhì)產(chǎn)生推力。點火模式與燒蝕模式的最主要的區(qū)別是指推力的產(chǎn)生是否主要依靠工質(zhì)被激光燒蝕產(chǎn)生的化學(xué)能。從推進(jìn)性能來看，點火模式能有效提高推力，進(jìn)一步提高沖量耦合系數(shù)，但比沖較低。燒蝕模式具有較小的沖量比特和較高的比沖。兩種模式各有特點，互為補充。

3 靶特性對推進(jìn)性能的影響

激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展是以新的工作模式所產(chǎn)生的新的燒蝕推進(jìn)性能為推動力的。激光器工作方式與工質(zhì)特性的配合，產(chǎn)生新的燒蝕推進(jìn)性能是激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)研究的熱點［12］。由于激光器性能的發(fā)展相對較為遲緩，一段時間以來，實驗室條件下，研究激光與工質(zhì)相互作用機理，主要的技術(shù)增長點集中在對工質(zhì)靶的選擇與設(shè)計上。通過改變工質(zhì)靶特性來改變燒蝕推進(jìn)性能是機理研究方面的主要革新手段。

激光微燒蝕的工質(zhì)靶推進(jìn)性能除了與激光器本身的參數(shù)(脈寬、波長和強度等)有關(guān)外，還與靶材的物性，如結(jié)構(gòu)、分子量、離化閾值、熱導(dǎo)系數(shù)等有關(guān)。目前，主要研究熱點有以下4個方面：靶材選擇、靶材結(jié)構(gòu)、靶材摻雜，以及靶的物相。

(1)靶材的選擇

時至今日，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對大量靶材進(jìn)行了激光燒蝕實驗，包括各種常見的金屬(鋁、銅、鉛、鎂等)和一些復(fù)合材料，以及特殊設(shè)計的含能材料。這些相關(guān)的理論與實驗結(jié)果都可以作為激光微燒蝕推力器設(shè)計的參考。

Pakhomov等人針對各種單元素金屬和非金屬靶材進(jìn)行激光燒蝕測定［13］，發(fā)現(xiàn)對不同燒蝕材料，比沖隨工質(zhì)原子量的增加而減小，沖量耦合系數(shù)則相反。Phipps小組對若干金屬靶材進(jìn)行了燒蝕性能對比實驗，發(fā)現(xiàn)金是燒蝕推進(jìn)性能最佳的選擇［14］。針對一些復(fù)合材料開展了一系列工質(zhì)靶材的燒蝕推進(jìn)性能研究，發(fā)現(xiàn)聚氯乙烯(PVC)材料是較好的工質(zhì)靶材［15］。德國Bohn小組測試了不同單脈沖能量下，激光燒蝕聚甲醛樹脂(POM)沖量耦合系數(shù)隨空氣壓力的變化［16］，認(rèn)為聚甲醛樹脂是固體推進(jìn)劑中的首選。日本Nakano等人采用1 W的980 nm二極管激光器燒蝕含能靶材B/KNO3，發(fā)現(xiàn)含能材料比PVC推力提高了420倍，沖量耦合系數(shù)提高近560倍［17］。瑞士Lippert小組選取了PVC、縮水甘油酯(GAP)和聚硝酸乙烯(PVN)3種聚合物材料進(jìn)行激光微燒蝕實驗，發(fā)現(xiàn)無論是摻C還是紅外染色劑(增強激光吸收)，GAP燒蝕推進(jìn)性能都要優(yōu)于PVN和PVC。中國科技大學(xué)唐志平、蔡建等人采用瓦級半導(dǎo)體激光器，對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、雙基藥靶和賽璐珞靶3種聚合物材料進(jìn)行了燒蝕性能測試［18］，通過綜合分析比對，認(rèn)為PMMA和雙基藥的推進(jìn)效果較好，PMMA的沖量耦合系數(shù)較小，但是比沖最高，可作為衛(wèi)星姿態(tài)控制激光微推力器的靶材選料;雙基藥耦合系數(shù)較高，可作為軌道控制微推力器靶材選料。

從相關(guān)研究情況來看，工質(zhì)靶選材的基本要求是：燒蝕率高、分子鏈含能并且斷裂可控，分解強度閾值明顯且較低、分解產(chǎn)物氣化徹底、沒有再沉積現(xiàn)象等。其中，最重要的是材料分解后釋放的能量要大，即轉(zhuǎn)化為推力大，這樣會使能量轉(zhuǎn)化效率提高很多。含能高分子聚合物為靶材的首選。目前，半導(dǎo)體激光器功率通常比較低，工作時需要采用足夠長的脈寬實現(xiàn)能量沉積，同時，要求工質(zhì)靶導(dǎo)熱率低，有利于能量沉積。高分子聚合物非常適合這一需求。從燒蝕推進(jìn)性能的需求角度來看，高比沖、高沖量耦合系數(shù)，也即高燒蝕效率是設(shè)計的最理想目標(biāo)。

(2)靶材結(jié)構(gòu)特性

所謂“靶材結(jié)構(gòu)”，具體來講，是指參與燒蝕，即參與激光與物質(zhì)相互作用的工質(zhì)部分，通過預(yù)先設(shè)計好的結(jié)構(gòu)，對燒蝕產(chǎn)生的噴射進(jìn)行約束，從而影響推進(jìn)性能。通常有兩種約束結(jié)構(gòu)：坑狀約束和層狀約束。其中，層狀約束即通常所說的約束燒蝕情況，Pakhomov在激光推進(jìn)的概念研究中建立了激光推進(jìn)概念樹［19］，對各種約束模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析歸納。

較早研究固體約束層靶結(jié)構(gòu)的是Fabbro等人。1990年，F(xiàn)abbro等人研究了在約束條件下激光誘導(dǎo)等離子體對靶的耦合特征，與激光直接燒蝕靶材情況進(jìn)行了對比分析［20］。結(jié)果表明，約束條件下產(chǎn)生的燒蝕壓強比直接燒蝕情況高4～10倍。日本學(xué)者Koizumi和Nakano等人將含能靶材B/KNO3粉末事先添置在做好的靶坑內(nèi)，采用點火模式產(chǎn)生反沖推力。實驗結(jié)果表明：靶坑形狀的設(shè)計會對推進(jìn)性能產(chǎn)生影響［17］。日本Uchida 等人［21，22］研究了一種雙層玻璃結(jié)構(gòu)(中間用摻碳的環(huán)氧樹脂粘合)用于改善激光與靶材的沖量耦合效果，沖量耦合系數(shù)至少提高1個數(shù)量級。Phipps等人設(shè)計了一種多層靶結(jié)構(gòu)［23］：以黃銅作為燒蝕層，玻璃作為透明約束層，利用YAG激光器靶材進(jìn)行燒蝕，沖量耦合系數(shù)最大可達(dá)4.92×10-3N/W，比單層靶材下得到的沖量耦合系數(shù)提高了近1個數(shù)量級。

約束結(jié)構(gòu)能顯著提高沖量耦合系數(shù)，靶材結(jié)構(gòu)的變化是最容易實現(xiàn)的改善推進(jìn)性能的方式。層靶約束結(jié)構(gòu)是靶結(jié)構(gòu)設(shè)計所采取的主要形式。就目前研究情況來看，影響激光微推進(jìn)性能的約束結(jié)構(gòu)控制因素還有很多，如約束層厚度和物性參數(shù)等，這些因素是如何與工質(zhì)靶和入射激光實施相互影響的，還有待于深入研究。

(3)靶材摻雜特性

通常來講，單元素工質(zhì)比沖較高，高分子復(fù)合材料沖量耦合系數(shù)較高，這是多年來激光燒蝕材料性能的普遍共識。因此，人們就產(chǎn)生了既利用單元素工質(zhì)獲得高的比沖，又利用高分子材料提高激光推進(jìn)的沖量耦合系數(shù)的想法，即在高分子材料中摻入小尺寸單元素顆粒來改變高分子材料的燒蝕推進(jìn)性能。

德國Bohn小組的Schall等人對幾種復(fù)合材料，如POM、環(huán)氧樹脂和聚丁二烯進(jìn)行不同程度的金屬摻雜。實驗采用10.6 μm TEA-CO2脈沖激光器對不同摻雜濃度、不同脈沖能量的燒蝕推進(jìn)性能進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，在真空條件下，摻雜后的復(fù)合靶材沖量耦合系數(shù)值降低，并且比沖值也比未摻雜的靶材降低了很多，Schall將這種現(xiàn)象歸結(jié)為氣化前的靶溶解和等離子體對激光的屏蔽［16］。中國科技大學(xué)程建中等人，在分析Bohn小組實驗的基礎(chǔ)上，提出采用納米金屬顆粒摻雜的想法［24］。采用 PVC作為基底材料，分別摻雜不同元素的納米金屬顆粒，并且與同元素微米金屬顆粒摻雜的效果進(jìn)行對比。實驗結(jié)果表明，納米Fe的摻雜在激光功率密度為5 MW/cm2，摻雜濃度為50%時，比沖出現(xiàn)最大值，比純PVC高出近4倍。Phipps小組研究的靶材的摻雜是增加靶材對激光吸收，影響靶材對激光吸收效率的重要手段。大多數(shù)聚合物對紅外波段光吸收都很差，必須添加吸收劑，例如納米碳或紅外染色劑等。綜合分析各種摻碳效果，認(rèn)為納米碳盡管會產(chǎn)生10～20 μm的大粒子團，但燒蝕效果最好，摻碳性能表現(xiàn)為黑珍珠碳優(yōu)于導(dǎo)電碳優(yōu)于基本碳［25］。紅外染色劑摻雜在分子層面，效果優(yōu)于納米碳。

靶材的摻雜對燒蝕特性的影響作為激光與物質(zhì)相互作用研究領(lǐng)域內(nèi)的重要課題，一直存在著諸多的爭議與討論。現(xiàn)階段，激光微推進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)，考慮靶材摻雜對激光吸收作用的研究較多，尚未對燒蝕推進(jìn)性能的改變展開有針對性的研究。靶材摻雜，尤其是金屬屬性的摻雜物對于燒蝕推進(jìn)性能的影響是一個有待深入展開的研究領(lǐng)域。

(4)靶材物相特性

靶材的物相對推進(jìn)性能的影響較大：工質(zhì)物相不同，推進(jìn)性能也不同。在早期的激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)研究中，多考慮固體靶材與激光的相互作用，凝聚態(tài)靶材的激光微燒蝕性能是目前的研究熱點。特別是水工質(zhì)方面，日本相關(guān)學(xué)者開展了一系列以水為推進(jìn)劑組分的激光推進(jìn)性能研究，如重復(fù)脈沖下的水循環(huán)供靶、“水炮”推進(jìn)，以及衛(wèi)星(“north-south”衛(wèi)星姿態(tài)控制，20 mN推力需求)的姿態(tài)控制等［15］。

日本Uchida等人在美國空軍科學(xué)研究局(AFOSR)的資助下，開展了激光燒蝕液體工質(zhì)的相關(guān)研究，測量了二乙醚、水、乙二醇、蓖麻油4種液體工質(zhì)的燒蝕推進(jìn)性能［26］。實驗結(jié)果表明，粘性與耦合性能密切相關(guān)，對于某黏性一定的液體推進(jìn)劑，某強度激光剛好將其燒穿時，沖量耦合系數(shù)最大。美國Fardel等人針對LPT液體工質(zhì)的燒蝕情況［27］，詳細(xì)討論了關(guān)于飛濺機制和類固體燒蝕機制的轉(zhuǎn)換條件，認(rèn)為液體工質(zhì)黏性和激光強度是決定這一機制轉(zhuǎn)換的決定因素。瑞士Lippert小組嘗試了4種不同濃度的液態(tài)含能聚合物的燒蝕性能［28］。文章指出，當(dāng)前由GAP摻C的固體工質(zhì)能夠達(dá)到550 s的比沖，燒蝕效率可以達(dá)到360%以上，為目前發(fā)現(xiàn)的效率最高的固體工質(zhì)材料。

液態(tài)工質(zhì)是最新的研究熱點，最有可能成為新一代LPT工質(zhì)。目前，固體靶材的μLPT存在的主要缺陷是供靶機構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量過大，工質(zhì)靶帶死重大，系統(tǒng)比沖低。就目前的液體工質(zhì)的概念設(shè)計探索研究來看，無論是供靶機構(gòu)還是工質(zhì)靶的利用率都將大幅度改善。但是，液體工質(zhì)燒蝕機理的研究還處于起步階段，推力器處于概念設(shè)計階段，還有許多問題需要進(jìn)一步探究。

4 激光等離子體微推力器的研制

激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)的最終目標(biāo)是研制出適合微小衛(wèi)星姿軌控的微推力器。其經(jīng)歷了從方案構(gòu)想到原理樣機，從桌面系統(tǒng)到最終產(chǎn)品的研制過程。關(guān)于這方面的研究，美國的Phipps小組走在世界的前沿。1998年，美國Phipps小組開展了關(guān)于激光等離子體微推力器的研制，μLPT經(jīng)歷了預(yù)樣機、桌面系統(tǒng)、原理樣機、ms-μLPT、ns-μLPT到最近提出的新型μLPT的概念設(shè)計的發(fā)展過程如表1所示。

表1 美國Phipps小組研究μLPT的歷程Fig．1 Progress of μLPT from Phipps group in America

預(yù)樣機與桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一致的，所選取的工質(zhì)靶材不同，因此，在測得的推進(jìn)性能上略有差異。同樣，原理樣機與ms-LPT產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)也是一致的。ns-LPT和新型μLPT尚處在實驗室條件下的機理研究階段，沒有相關(guān)樣機的報道，值得關(guān)注的是新型μLPT的概念設(shè)計。

Phipps小組在2008年束能會議上發(fā)表文章［29］，研究了液體高分子聚合物激光微推進(jìn)性能。文章報道了GAP黏性液體工質(zhì)(70%GAP+IR)在2.84×1011W/cm2的激光強度，5 ns脈寬的激光輻照下，比沖可以達(dá)到680 s，沖量耦合系數(shù)為7.3×10-5N/W，燒蝕效率為24%。提出了新型變推力、比沖可調(diào)激光等離子體微推力器的概念，發(fā)動機重 80 kg(結(jié)構(gòu)質(zhì)量 10.5 kg，工質(zhì)69.5 kg)，可工作在ns和ms兩種模式下，ms脈寬為低比沖模式116 s，推力可達(dá)57 mN，ns脈寬為高比沖模式3660s，推力可達(dá)6.48N，也即比沖可在200～3 600 s調(diào)整。該推力器可用于180 kg級小衛(wèi)星姿軌控，用3 kW平均功率可在16個月內(nèi)提供17.5 km/s的速度增量。由于比沖的調(diào)整范圍大，因此可用于為不同任務(wù)選擇最優(yōu)的比沖工作方式。圖3是概念設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

從μLPT的發(fā)展?fàn)顩r來看，ms-μLPT是應(yīng)美國空軍具體任務(wù)需求而產(chǎn)生的，并且實現(xiàn)了預(yù)定的任務(wù)目標(biāo)?？梢?，新的μLPT產(chǎn)品需要更多的實際應(yīng)用來推動，激光等離子體微推力器的發(fā)展空間有待更多的需求來牽引。

圖3 Phipps小組的新一代μLPT概念設(shè)計圖Fig.3 Sketch of new generation μLPT of Phipps group

5 結(jié)束語

激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)作為激光推進(jìn)技術(shù)的一個分支，其工程應(yīng)用的可能性已經(jīng)得到了驗證，該技術(shù)也越來越受到人們的高度重視。經(jīng)過近10年的發(fā)展，激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間，衍生出多種工作狀態(tài)和模式，在多個方面和研究角度上產(chǎn)生了眾多研究成果，特別是在靶特性研究和微推力器器件集成方面，相關(guān)研究較為豐富和具體。然而，目前仍然存在許多技術(shù)上的未知問題，很多研究工作有待于深入，相信伴隨著越來越多的支持和關(guān)注，激光等離子體微推進(jìn)技術(shù)必將會在航天器控制領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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