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1、一种微推进方式激光等离子体推进ZY1415126 李鑫一 微推进的背景意义随着机械微电子技术的发展, 近年来卫星微小型化成为当代卫星发展的趋势。微卫星( 质量10 kg) 、纳卫星 ( 质量介于 110 kg) 和皮卫星( 质量1 kg) 得到了迅猛发展。使用先进技术把大量小卫星联网来代替昂贵、庞大的卫星。许多实例证明, 由于其分布特性, 这些星座能够完成单个大型航天器所不能完成的任务。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
2、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。二 现有微推进形式根据不同的划分形式，微推进可以划分为不同的种类。按能量转换方式和工作过程来划分，微推进可以分为化学微推进，微电推进，激光等离子体和冷气推进。当然还包括一些新概念的推进形式，如绳系推进，太阳能推进，核能推进，反物质推进在微推进领域的应用前景。微电推进包括电热式微推进，静电式微推进和电磁式微推进。化学微推进包括与MEMS 技术（微机电制造技术）相结合的数字式固体微推进和单组元/双组元液体微推进。激光等离子体微推进是一种备受业内人士关注的推进形式。激光等离子体微推进技术属于激光推进技术
3、中的烧蚀模式，是利用激光与物质在百微米尺度上的相互作用烧蚀机理进行工作。在激光烧蚀靶材整个过程中，主要的物理过程有靶材的受热升温、熔融气化、激光强度足够强时产生等离子体，以及高温气体或等离子体高速喷射产生推力。与其他微推力器相比, 激光等离子体微推进器有如下特点：1) 激光等离子体微推进器可以产生比较高的比冲。传统的化学燃料推进由于受燃料自身化学能、燃烧温度和效率等固有条件的限制, 比冲受限, 一般小于 5 000 Ns/kg。而激光微推进器不受此条件限制, 可以产生大于 500 s 的比冲2) 激光等离子体微推进器产生的冲量范围大, 最大冲量和最小冲量之比可以达到 105 1, 并且容易调节
4、。仅仅通过改变激光的脉宽就可以使冲量从 0.4 nNs 变化到16 nNs。单脉冲冲量最小可以达 110- 9 Ns。3) 激光等离子体微推进器不需要像传统的化学燃料推进一样的喷嘴设备。等离子体间的静电力可以维持喷射气体的定向发射20, 这样便解决了由于喷嘴特征尺寸太小带来的物理学问题。4) 激光等离子体微推进器产生的污染小, 而且容易控制。在高功率密度的激光照射下, 等离子体在完全电离区域工作, 所以污染几乎为零。5) 激光等离子体微推进器体积小、结构简单, 容易满足微卫星对推进器的重量要求三 激光等离子体微推进基础理论激光微推进技术属于激光推进技术中“烧蚀模式”的一种，利用激光与物质相互作
5、用机理进行工作的，以激光器作为能源。从激光器中发出来的光, 经光学元件聚焦后, 照射到推进剂表面, 发生烧蚀, 喷出高温高压的气体或固体颗粒,这种气体或固体颗粒的反冲使飞行器获得冲力。激光微推进与其它激光烧蚀推进方式相比，最本质的区别在于: 整个物理过程发生在微小尺度上。这里所谓“微小尺度”是指: 激光聚焦光斑尺寸小( 10 m 量级) ，靶材厚度薄( 100 m 量级) 、单脉冲烧蚀质量小 ( g 量级) 、单脉冲冲量小( 最小冲量比特可以达到 nNs 量级) 。激光微推进的工作原理是烧蚀推进. 由于半导体激光管功率小 ( W 量级) , 光束发散角大, 需要特殊设计的微光路将其聚焦至直径
6、100 m 以下的光斑, 功率密度达到104 W/ 量级以上, 才能烧蚀聚合物一类的工质, 产生微推力。影响激光等离子体推2进的主要因素包括激光器的参数和靶材的属性，根据激光器与工质靶的性能与状态的不同，总结目前相关研究和报道，可以将激光微推进的工作模式从如下几个角度进行区分:1. 由激光器和靶材相对位置不同可分为透射式和反射式反射式光束成 45 度聚焦于靶材表面, 产生垂直于靶面的喷射羽流和推力, ，物质的喷射与激光器组件在靶同侧，缺点是羽流可能污染镜头; 透射式聚焦光束透过一层透明膜后烧蚀工质层, 喷射羽流方向与激光入射方向一致 , 相隔一层透明膜, ，物质的喷射与激光器组件在靶的异侧，不
7、会污染光学系统, 但能量有一定损失。透射式和反射式示意如图 1图 12. 按激光器工作方式不同可分为连续式和脉冲式，其中脉冲式按脉冲长短不同又可分为 ms 脉冲和 ns 脉冲连续式即采用连续输出的半导体激光器烧蚀固体工质靶，美国的 Phipps 小组曾经采用过连续输出的工作模式烧蚀固体工质靶， ，喷射物质持续稳定，烧蚀喷射羽流与运动的横向速度叠加，形成稳定的喷射角度由于靶带相对激光器有运动速度，烧蚀喷射尾焰会因此叠加上一个横向的速度，影响推进性能。目前大部分研究以脉冲式为主，脉冲式相对于连续式有以下优点：（1) 有利于推进性能参数的测量; ( 2) 激光能量利用率高，能够形成更好的推进性能;
8、( 3) 便于推力的矢量控制; ( 4) 脉冲之间的空闲时间有利于激光器的散热。脉冲长短不同，推进性能截然不同。按脉冲长短可以分为 ms 脉冲和 ns 脉冲。通常情况下，ns 级短脉宽激光峰值功率较高，如 YAG 激光器，可以烧蚀金属等高比冲材料，比冲可达几千秒，但冲量耦合系数较低，通常在 N/W 以下; ms 级脉宽激104光功率较低，如半导体激光器，也正因为激光器功率低，需要采用较长的脉宽来实现能量的沉积，而这种特性就决定了被烧蚀工质靶材应该是导热率较低的非金属材料，如高分子聚合物。比冲一般为几百秒，冲量耦合系数则可达几十甚至上百 N/W。1053. 按工质物态不同可分为固体工质和液体工质
9、工质状态不同，推进性能有很大的差别。固体工质和液体工质工作模式的主要区别在于供靶方式的不同。固体工质易于加工成型，可分为线状靶和面状靶。结合供靶方式又可分为靶带缠绕式、线状缠绕式，以及靶片磁盘式。典型的缠绕式是将靶带缠绕在一个盘状绞轮上，单次烧蚀靶面上一个点位，绞轮转动一个单位长度，逐行扫描，直至完成对整个靶带的烧蚀。靶片磁盘式将工质制作成薄圆盘形状，按照磁盘工作方式实现激光器对工质盘的寻位和烧蚀。相对于固体工质而言，液体工质的供靶机构较为简单，常用的就是挤压的方式，将一定流量的液体工质压出并完全烧蚀掉，再进行下一次供靶。液体工质较固体工质而言有如下几个特点: ( 1)液体工质供靶机构相对简单
10、，只需工质储箱、供压机构和喷嘴即可; ( 2) 液体工质较固体工质烧蚀产生的死重少，同时，结构上的简化也降低了推力器的死重;( 3) 液体工质一般比固体工质的冲量耦合系数要高，提供的推力较大。保证较高比冲的前提下，尽量提高冲量耦合系数，增加推力，是激光微推进设计的目标。液体工质为实现这一目标提供了一种选择。对于液体工质微推力器，工质粘性和其推力耦合性能密切相关。在烧蚀过程中液体飞溅会极大降低烧蚀效率，而研究表明，液体粘性与激光强度是决定飞溅机制和类固体烧蚀机制转换的决定因素。4. 按工质是否含能可分为含能模式和惰性模式含能模式所采用的工质是含能的，激光烧蚀含能工质，通过化学反应释放工质能量产生
11、喷射形成推力。惰性模式是指激光烧蚀惰性材料，靠沉积的激光能量烧蚀工质产生推力。含能模式与惰性模式的最主要的区别是指推力的产生是否主要依靠工质被激光烧蚀产生的化学能。从推进性能来看，含能模式能有效提高推力，进一步提高冲量耦合系数，但比冲较低。惰性模式具有较小的冲量比特和较高的比冲。两种模式各有特点，互为补充。激光微烧蚀的工质靶推进性能除了与激光器本身的参数( 脉宽、波长、强度等) 有关外，还与靶材的属性有关，如物态、结构、分子量、离化阈值、热导系数等。通过改变靶的属性，来改善激光微推进性能，是激光微推进技术研究的重点。靶材的物态和靶材的结构的不同，推力器性能不同，通过对物态和结构的研究，进而设计
12、性能最优的推力器。固态靶材的选择可以是单元素材料，聚合物材料和含能材料。常见单元素材料多为金属如铜，铁，锌，金是烧蚀推进性能最佳的选择，比冲可达 3 660 s。目前正在研究的聚合物有聚甲醛树脂，聚氯乙烯( PVC)和有机玻璃( PMMA)等。“靶材结构”特性，是指由于预先设计好的结构的影响，使被烧蚀工质表现出来的激光推进性能发生变化。这种靶材结构上的变化对激光推进性能的影响，是靶特性的研究热点之一。通常有两种靶材结构的设计方式: 坑状约束和层状约束。采用不同的约束，推力性能和冲量耦合不相同，相比于没有约束的情况，冲量耦合均有了很大的提高。四 存在的问题和结论虽然美、日、俄等国科学家对激光等离
13、子体推进技术已经进行了大量的实验和理论研究, 但由于是一项新的技术, 在机理研究和应用等方面还有待探索, 部分关键技术问题还需要解决。具体如下：（1) 微冲力测量技术微推进器的特点是推力比较小, 一般推力在几个!N 到几个 N 之间。在进行推力测试方案设计的时候, 应充分分析台架可能达到的分辨率、误差和推力范围。即使如此, 要精确测量 101 000 !N 的小推力还是比较困难的。因为仪器的噪音会影响精度 , 同时微推进器脉冲工作时, 传递给台架的瞬间力( 过渡态) 也需要处理, 否则会影响测量精度。如果台架的固有频率比推进器点火频率低很多, 从而忽略阻尼与弹簧效应, 问题则变得简单很多。尽管
14、现有的扭摆技术已经可以测量 N 量级的推力, 但是由于其自身重量和方法上的局限性, 导致既无法测量飞行器整体的冲量, 也无法测量连续工作模式下的冲量。所以微推进器对微推力测试技术提出了更高的要求。（2) 推进剂传输装置不论是透射式还是反射式工作模式, 其推进剂的传输均是靠一个转轴传动的, 由于这一装置要固定在飞行器, 所以其工作时所产生的力会对飞行器的飞行姿态产生影响。因此需要发明一个对航天器飞行姿态影响很小的推进剂传输装置。（3) 激光器的散热问题虽然半导体激光器本身的重量很小, 但是其工作时温度升高会影响其工作状态,所以需要散热装置保持芯片恒温。而传统的散热模式或者半导体散热模式相对于微推进器都略显笨重, 所以急需研发一种小巧的导热装置。此外, 推进剂和衬底材料的选取、带式结构的设计和加工等问题都有待于更进一步的优化; 而对于反射式工作模式, 还要解决光学元件的污染问题等。综上, 激光等离子体微推进技术是一种高性能的新生技术, 由于其自身的技术特点, 使得其在同类技术中有着很大的竞争优势。虽然目前还存在许多技术上的困难, 但这是一项充满生机和挑战的新技术。我们相信, 随着各个方面技术的发展和改进, 真正意义的激光等离子体微推进器终将会在各种微型飞行器上得到广泛的应用。
