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激光微推进的原理和应用研究

蔡建  
【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10~(-8)N.s-10~(-3)N.s冲量的精确测量,当冲量为10~(-8)N·s时,其测量误差小于15%;环境实验舱可模拟0—50km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LD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φ3.6×8.5cm,重量只有100g。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170s(透射纸靶),最高冲量耦合系数为1.9dyne/W(反射双基药靶),激光转化推进动能的效率η=0.77%(反射双基药靶),冲量比特范围3.35×10~(-8)N.s-1.6×10~(-6)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32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、PMMA和黑油漆四种薄膜靶材。实验结果显示,90μm厚的PMMA靶获得的最高比冲达到1543.7s,双基药靶的最高冲量耦合系数达到18dyne/W。PMMA、双基药、赛璐珞和黑油漆四种靶材的最高η分别达到40%、44%、10%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,PMMA和双基药的推进效果较好,其中PMMA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CO_2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PVDF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。


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