激光化學(xué)推進(jìn)的研究.pdf

1、激光推進(jìn)是利用激光與工質(zhì)相互作用產(chǎn)生高溫高壓的氣團(tuán)反噴以獲得推力，推動(dòng)空間飛行器前進(jìn)的新概念推進(jìn)技術(shù)。傳統(tǒng)的激光推進(jìn)走向?qū)嵱茫枰骄β拾費(fèi)W量級(jí)的激光器。受到激光器制作技術(shù)的約束，現(xiàn)有激光器的平均功率最高到105W量級(jí)，遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)用的要求。研究中，發(fā)現(xiàn)一些工質(zhì)在激光推進(jìn)過(guò)程中存在化學(xué)能的釋放，從而使推進(jìn)性能得到大幅提升，我們將其定義為化學(xué)激光推進(jìn)。化學(xué)激光推進(jìn)過(guò)程中不僅將激光能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，還引入了化學(xué)能，可以同時(shí)提高沖量耦合系數(shù)和

2、比沖，從而提高推力器整體的推進(jìn)性能，可降低同等推力下對(duì)激光功率的要求，且化學(xué)激光推力器的工作狀態(tài)可控，為激光推進(jìn)技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝诵碌乃悸?，在空間推進(jìn)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文針對(duì)化學(xué)激光推進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行了以下幾方面的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究：
　　 (1)化學(xué)激光推進(jìn)機(jī)理方面的研究
　　 以化學(xué)能的釋放為線索，分析化學(xué)激光推進(jìn)的基本原理，將其物理過(guò)程簡(jiǎn)化為兩個(gè)階段：
　　 1)激光與工質(zhì)相互作用階段；

3、　　 2)激光作用后產(chǎn)生的高溫高壓氣團(tuán)在推力器中的流場(chǎng)演化階段。化學(xué)能的釋放既可以出現(xiàn)在激光作用時(shí)，也可以出現(xiàn)在激光作用后的高溫高壓氣團(tuán)在推力器內(nèi)流場(chǎng)演化過(guò)程中。
　　 化學(xué)激光推進(jìn)的工質(zhì)一般分為兩類(lèi)：
　　 1)工質(zhì)本身不含氧化劑，其在化學(xué)激光推進(jìn)中的能量釋放主要發(fā)生在激光作用后的高溫高壓氣團(tuán)在推力器中的流場(chǎng)演化過(guò)程中，需要外界提供氧氣。
　　 2)工質(zhì)本身含有氧化劑，其在激光與工質(zhì)相互作用時(shí)就會(huì)釋放大量的化

4、學(xué)能，這種能量釋放是由工質(zhì)本身提供的，不需要外界提供氧氣。
　　 在無(wú)推力器約束和有推力器約束兩種條件下，分別對(duì)1atm大氣和1atm氮?dú)鈨煞N氣體環(huán)境中的POM（聚甲醛）工質(zhì)的推進(jìn)性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在推進(jìn)過(guò)程中激光燒蝕后的產(chǎn)物與大氣環(huán)境中氧氣發(fā)生了放熱反應(yīng)，驗(yàn)證了在化學(xué)激光推進(jìn)中化學(xué)能釋放的存在。
　　 通過(guò)分子光譜分析，得到了激光作用于POM工質(zhì)后產(chǎn)生的氣團(tuán)在真空和大氣環(huán)境下的最終產(chǎn)物：真空中的最終產(chǎn)物為CH2O

5、，大氣環(huán)境中的最終產(chǎn)物為CO2和H2O。確認(rèn)了其在1atm大氣環(huán)境中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及所釋放的化學(xué)能。
　　 結(jié)合高速紋影實(shí)驗(yàn)和Fluent數(shù)值模擬，追蹤推力器約束下的POM工質(zhì)在激光作用后的流場(chǎng)演化過(guò)程。采用有限速率化學(xué)反應(yīng)模型得到的模擬結(jié)果與高速紋影實(shí)驗(yàn)吻合較好。結(jié)果表明，化學(xué)能釋放的激烈程度與產(chǎn)物氣團(tuán)和大氣中氧氣的混合程度相關(guān)，混合得越充分，化學(xué)能釋放得越激烈。
　　 (2)大能量化學(xué)激光推進(jìn)和推力器的研究

6、r>　　 利用單脈沖能量為519J的TEA600型CO2激光器和自研制的摻雜A1粉的POM復(fù)合工質(zhì)，幾何構(gòu)型優(yōu)化后的直筒型化學(xué)激光推力器的沖量耦合系數(shù)和比沖分別達(dá)到113.2dyne/W和1275.4s，此時(shí)，激光能量利用率高達(dá)707％，這是目前國(guó)際上報(bào)道的最高的指標(biāo)，推進(jìn)中化學(xué)能的貢獻(xiàn)超過(guò)了86％。
　　 開(kāi)展了直筒型推力器多脈沖推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明激光重復(fù)頻率為20Hz時(shí)，前一脈沖產(chǎn)物對(duì)后一脈沖推進(jìn)性能沒(méi)有明顯影響，每

7、個(gè)脈沖的推進(jìn)性能只與激光的功率密度和筒徑與光斑直徑之比α有關(guān)。
　　 (3)化學(xué)激光微推進(jìn)的研究
　　 由于激光微推進(jìn)所用激光器的功率?。╓量級(jí)），化學(xué)能的補(bǔ)充是提高其推進(jìn)性能的關(guān)鍵技術(shù)，我們首先建立了精密微沖量擋板扭擺系統(tǒng)，對(duì)自研制的復(fù)合雙基藥薄膜工質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)隨著工質(zhì)厚度的增加，沖量耦合系數(shù)逐漸增加，但比沖有漸減的趨勢(shì)。并得到了化學(xué)能釋放和激光功率密度的關(guān)系。利用功率為1.80W的半導(dǎo)體激光器，