激光化學推進的研究.pdf

1、激光推進是利用激光與工質相互作用產(chǎn)生高溫高壓的氣團反噴以獲得推力，推動空間飛行器前進的新概念推進技術。傳統(tǒng)的激光推進走向實用，需要平均功率百MW量級的激光器。受到激光器制作技術的約束，現(xiàn)有激光器的平均功率最高到105W量級，遠達不到實用的要求。研究中，發(fā)現(xiàn)一些工質在激光推進過程中存在化學能的釋放，從而使推進性能得到大幅提升，我們將其定義為化學激光推進?；瘜W激光推進過程中不僅將激光能量轉化為動能，還引入了化學能，可以同時提高沖量耦合系數(shù)和

2、比沖，從而提高推力器整體的推進性能，可降低同等推力下對激光功率的要求，且化學激光推力器的工作狀態(tài)可控，為激光推進技術走向實用提供了新的思路，在空間推進中具有重要應用價值。
　　 本文針對化學激光推進技術，進行了以下幾方面的實驗和數(shù)值研究：
　　 (1)化學激光推進機理方面的研究
　　 以化學能的釋放為線索，分析化學激光推進的基本原理，將其物理過程簡化為兩個階段：
　　 1)激光與工質相互作用階段；

3、　　 2)激光作用后產(chǎn)生的高溫高壓氣團在推力器中的流場演化階段?；瘜W能的釋放既可以出現(xiàn)在激光作用時，也可以出現(xiàn)在激光作用后的高溫高壓氣團在推力器內流場演化過程中。
　　 化學激光推進的工質一般分為兩類：
　　 1)工質本身不含氧化劑，其在化學激光推進中的能量釋放主要發(fā)生在激光作用后的高溫高壓氣團在推力器中的流場演化過程中，需要外界提供氧氣。
　　 2)工質本身含有氧化劑，其在激光與工質相互作用時就會釋放大量的化

4、學能，這種能量釋放是由工質本身提供的，不需要外界提供氧氣。
　　 在無推力器約束和有推力器約束兩種條件下，分別對1atm大氣和1atm氮氣兩種氣體環(huán)境中的POM（聚甲醛）工質的推進性能進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)在推進過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，驗證了在化學激光推進中化學能釋放的存在。
　　 通過分子光譜分析，得到了激光作用于POM工質后產(chǎn)生的氣團在真空和大氣環(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。確認了其在1atm大氣環(huán)境中所發(fā)生的化學反應，以及所釋放的化學能。
　　 結合高速紋影實驗和Fluent數(shù)值模擬，追蹤推力器約束下的POM工質在激光作用后的流場演化過程。采用有限速率化學反應模型得到的模擬結果與高速紋影實驗吻合較好。結果表明，化學能釋放的激烈程度與產(chǎn)物氣團和大氣中氧氣的混合程度相關，混合得越充分，化學能釋放得越激烈。
　　 (2)大能量化學激光推進和推力器的研究

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復合工質，幾何構型優(yōu)化后的直筒型化學激光推力器的沖量耦合系數(shù)和比沖分別達到113.2dyne/W和1275.4s，此時，激光能量利用率高達707％，這是目前國際上報道的最高的指標，推進中化學能的貢獻超過了86％。
　　 開展了直筒型推力器多脈沖推進的實驗研究，結果表明激光重復頻率為20Hz時，前一脈沖產(chǎn)物對后一脈沖推進性能沒有明顯影響，每

7、個脈沖的推進性能只與激光的功率密度和筒徑與光斑直徑之比α有關。
　　 (3)化學激光微推進的研究
　　 由于激光微推進所用激光器的功率?。╓量級），化學能的補充是提高其推進性能的關鍵技術，我們首先建立了精密微沖量擋板扭擺系統(tǒng)，對自研制的復合雙基藥薄膜工質進行了系統(tǒng)的實驗和數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)隨著工質厚度的增加，沖量耦合系數(shù)逐漸增加，但比沖有漸減的趨勢。并得到了化學能釋放和激光功率密度的關系。利用功率為1.80W的半導體激光器，