激光等離子體微推進技術的研究進展

葉繼飛，洪延姬，王廣宇，李南雷

(1.裝備指揮技術學院研究生院 北京101416;2.裝備指揮技術學院基礎部 北京101416)

1 引言

自激光推進概念誕生以來，激光推進技術從概念到實現，從理論到應用，從模型到產品，不斷地經歷著一次次新的變革。伴隨著激光推進技術的不斷發展，激光推進的應用領域也不斷擴展：從最初的發射入軌的設想，延伸到空間領域的清除碎片，衛星軌道轉移、姿態控制，以及近空間的推進任務等等［1］。其中，激光等離子體微推進技術作為微小衛星姿軌控的應用技術，倍受業內人士關注。在激光技術蓬勃發展的今天，激光器的功率水平、激光遠距離傳輸等仍存在技術瓶頸，這使得激光等離子體微推進技術在當前階段成為眾多激光推進應用技術中比較現實的應用之一［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體、ms量級脈寬燒蝕固體工質靶帶，用于美國空軍TechSat21型衛星的姿軌控任務［3］。激光等離子體微推進技術首次應用于實踐［4］使美國人在激光微推進技術領域走在世界前列。而Phipps等人的成果也證明了激光等離子體微推進技術的研究潛力及其應用的可行性。

2 工作模式

激光等離子體微推進技術屬于激光推進技術中的燒蝕模式［5］，是利用激光與物質在百微米尺度上的相互作用燒蝕機理進行工作。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生等離子體，以及高溫氣體或等離子體高速噴射產生推力等階段。激光等離子體微推進技術的顯著特點是：單脈沖燒蝕產生微小噴射形成的沖量小，即沖量比特小，最小沖量比特(MIB)可以達到nN·s量級。另外，激光等離子體微推進技術相比其他微推進技術而言，還具有比沖高、沖量調節范圍大、污染小、推力器結構簡單、重量輕等特點［6］。

具體來講，激光等離子體微推進技術利用半導體激光器或其他結構緊湊、重量輕的激光器作為能量源，將激光整形聚焦于工質靶表面，通過微燒蝕過程，形成靶物質噴射，實現沖量耦合，產生推力。根據激光器與工質靶的性能與狀態的不同，總結目前相關研究和報道，可以將激光微推進的工作模式從如下5個角度進行區分［7］。

(1)激光器工作模式不同：連續式和脈沖式

激光器通常有兩種工作模式：連續模式和脈沖模式。2002年，Phipps小組報道采用連續輸出的半導體激光器燒蝕固體工質靶［8］，噴射物質持續穩定，燒蝕噴射羽流與運動的橫向速度疊加，形成穩定的噴射角度。脈沖式是實驗室條件下靜態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性能參數，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

根據脈沖的長短來區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］。相應地，ms長脈寬激光燒蝕材料的沖量耦合系數可達幾十甚至上百dyn/W，而ns短脈寬激光燒蝕材料的沖量耦合系數通常在1.0×10-4N/W以下［11］。

(3)固體靶結構不同：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，是以工質靶結構不同進行區分的。圖1為反射式工作模式，物質的噴射與激光組件在靶同側，激光直接燒蝕靶材產生噴射;在透射式工作模式情況下，物質的噴射與激光組件在靶異側，激光穿過一層透明基底燒蝕工質層，使工質層在透明基底的約束下產生噴射。反射式工作模式的主要缺點是污染問題，燒蝕產物向激光組件一側噴射，可能在光學器件上形成沉積，污染光學鏡頭，使推力器推進性能，乃至壽命受到影響。透射式工作模式有透明基底的保護，光學鏡頭不易受污染，但是，基底材料是不參與燒蝕的死質量，推進性能的可擴展空間受到一定限制。因此，在應用過程中，需要考慮任務中的具體需求，權衡模式的利弊，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)工質物相不同：液體工質和固體工質

按照工質物相的狀態可以區分為固體工質和液體工質工作模式，而對于氣體用作微燒蝕推進工質的情況，尚無相關報道。兩種物相工作模式的主要區別在于供靶方式的不同。

固體工質易于加工，可制作成線狀靶和面狀靶。供靶方式又可區分為靶帶纏繞式、線狀纏繞式，以及靶片磁盤式。如圖2所示，Phipps小組ms-μLPT產品采用是固體靶帶纏繞式工作模式。液體工質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壓出并完全燒蝕掉，再進行下一次供靶［10］。

圖2 ms-μLPT產品內部實物圖Fig.2 Photo of ms-μLPT

(5)工質是否含能：點火模式和燒蝕模式

點火模式所采用的工質是含能的，激光燒蝕含能工質，通過化學反應釋放工質能量產生噴射形成推力。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產生推力。點火模式與燒蝕模式的最主要的區別是指推力的產生是否主要依靠工質被激光燒蝕產生的化學能。從推進性能來看，點火模式能有效提高推力，進一步提高沖量耦合系數，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 靶特性對推進性能的影響

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

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

(1)靶材的選擇

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

Pakhomov等人針對各種單元素金屬和非金屬靶材進行激光燒蝕測定［13］，發現對不同燒蝕材料，比沖隨工質原子量的增加而減小，沖量耦合系數則相反。Phipps小組對若干金屬靶材進行了燒蝕性能對比實驗，發現金是燒蝕推進性能最佳的選擇［14］。針對一些復合材料開展了一系列工質靶材的燒蝕推進性能研究，發現聚氯乙烯(PVC)材料是較好的工質靶材［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)沖量耦合系數隨空氣壓力的變化［16］，認為聚甲醛樹脂是固體推進劑中的首選。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，發現含能材料比PVC推力提高了420倍，沖量耦合系數提高近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種聚合物材料進行激光微燒蝕實驗，發現無論是摻C還是紅外染色劑(增強激光吸收)，GAP燒蝕推進性能都要優于PVN和PVC。中國科技大學唐志平、蔡建等人采用瓦級半導體激光器，對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、雙基藥靶和賽璐珞靶3種聚合物材料進行了燒蝕性能測試［18］，通過綜合分析比對，認為PMMA和雙基藥的推進效果較好，PMMA的沖量耦合系數較小，但是比沖最高，可作為衛星姿態控制激光微推力器的靶材選料;雙基藥耦合系數較高，可作為軌道控制微推力器靶材選料。

從相關研究情況來看，工質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、分解產物氣化徹底、沒有再沉積現象等。其中，最重要的是材料分解后釋放的能量要大，即轉化為推力大，這樣會使能量轉化效率提高很多。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能量沉積，同時，要求工質靶導熱率低，有利于能量沉積。高分子聚合物非常適合這一需求。從燒蝕推進性能的需求角度來看，高比沖、高沖量耦合系數，也即高燒蝕效率是設計的最理想目標。

(2)靶材結構特性

所謂“靶材結構”，具體來講，是指參與燒蝕，即參與激光與物質相互作用的工質部分，通過預先設計好的結構，對燒蝕產生的噴射進行約束，從而影響推進性能。通常有兩種約束結構：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在激光推進的概念研究中建立了激光推進概念樹［19］，對各種約束模式進行了詳細的分析歸納。

較早研究固體約束層靶結構的是Fabbro等人。1990年，Fabbro等人研究了在約束條件下激光誘導等離子體對靶的耦合特征，與激光直接燒蝕靶材情況進行了對比分析［20］。結果表明，約束條件下產生的燒蝕壓強比直接燒蝕情況高4～10倍。日本學者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，采用點火模式產生反沖推力。實驗結果表明：靶坑形狀的設計會對推進性能產生影響［17］。日本Uchida 等人［21，22］研究了一種雙層玻璃結構(中間用摻碳的環氧樹脂粘合)用于改善激光與靶材的沖量耦合效果，沖量耦合系數至少提高1個數量級。Phipps等人設計了一種多層靶結構［23］：以黃銅作為燒蝕層，玻璃作為透明約束層，利用YAG激光器靶材進行燒蝕，沖量耦合系數最大可達4.92×10-3N/W，比單層靶材下得到的沖量耦合系數提高了近1個數量級。

約束結構能顯著提高沖量耦合系數，靶材結構的變化是最容易實現的改善推進性能的方式。層靶約束結構是靶結構設計所采取的主要形式。就目前研究情況來看，影響激光微推進性能的約束結構控制因素還有很多，如約束層厚度和物性參數等，這些因素是如何與工質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，單元素工質比沖較高，高分子復合材料沖量耦合系數較高，這是多年來激光燒蝕材料性能的普遍共識。因此，人們就產生了既利用單元素工質獲得高的比沖，又利用高分子材料提高激光推進的沖量耦合系數的想法，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性能。

德國Bohn小組的Schall等人對幾種復合材料，如POM、環氧樹脂和聚丁二烯進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性能進行了測量。結果表明，在真空條件下，摻雜后的復合靶材沖量耦合系數值降低，并且比沖值也比未摻雜的靶材降低了很多，Schall將這種現象歸結為氣化前的靶溶解和等離子體對激光的屏蔽［16］。中國科技大學程建中等人，在分析Bohn小組實驗的基礎上，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行對比。實驗結果表明，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，認為納米碳盡管會產生10～20 μm的大粒子團，但燒蝕效果最好，摻碳性能表現為黑珍珠碳優于導電碳優于基本碳［25］。紅外染色劑摻雜在分子層面，效果優于納米碳。

靶材的摻雜對燒蝕特性的影響作為激光與物質相互作用研究領域內的重要課題，一直存在著諸多的爭議與討論。現階段，激光微推進領域內，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性能的影響是一個有待深入展開的研究領域。

(4)靶材物相特性

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

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

液態工質是最新的研究熱點，最有可能成為新一代LPT工質。目前，固體靶材的μLPT存在的主要缺陷是供靶機構復雜、質量過大，工質靶帶死重大，系統比沖低。就目前的液體工質的概念設計探索研究來看，無論是供靶機構還是工質靶的利用率都將大幅度改善。但是，液體工質燒蝕機理的研究還處于起步階段，推力器處于概念設計階段，還有許多問題需要進一步探究。

4 激光等離子體微推力器的研制

激光等離子體微推進技術的最終目標是研制出適合微小衛星姿軌控的微推力器。其經歷了從方案構想到原理樣機，從桌面系統到最終產品的研制過程。關于這方面的研究，美國的Phipps小組走在世界的前沿。1998年，美國Phipps小組開展了關于激光等離子體微推力器的研制，μLPT經歷了預樣機、桌面系統、原理樣機、ms-μLPT、ns-μLPT到最近提出的新型μLPT的概念設計的發展過程如表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

預樣機與桌面系統的結構是一致的，所選取的工質靶材不同，因此，在測得的推進性能上略有差異。同樣，原理樣機與ms-LPT產品的基本結構也是一致的。ns-LPT和新型μLPT尚處在實驗室條件下的機理研究階段，沒有相關樣機的報道，值得關注的是新型μLPT的概念設計。

Phipps小組在2008年束能會議上發表文章［29］，研究了液體高分子聚合物激光微推進性能。文章報道了GAP黏性液體工質(70%GAP+IR)在2.84×1011W/cm2的激光強度，5 ns脈寬的激光輻照下，比沖可以達到680 s，沖量耦合系數為7.3×10-5N/W，燒蝕效率為24%。提出了新型變推力、比沖可調激光等離子體微推力器的概念，發動機重 80 kg(結構質量 10.5 kg，工質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57 mN，ns脈寬為高比沖模式3660s，推力可達6.48N，也即比沖可在200～3 600 s調整。該推力器可用于180 kg級小衛星姿軌控，用3 kW平均功率可在16個月內提供17.5 km/s的速度增量。由于比沖的調整范圍大，因此可用于為不同任務選擇最優的比沖工作方式。圖3是概念設計結構圖。

從μLPT的發展狀況來看，ms-μLPT是應美國空軍具體任務需求而產生的，并且實現了預定的任務目標。可見，新的μLPT產品需要更多的實際應用來推動，激光等離子體微推力器的發展空間有待更多的需求來牽引。

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

5 結束語

激光等離子體微推進技術作為激光推進技術的一個分支，其工程應用的可能性已經得到了驗證，該技術也越來越受到人們的高度重視。經過近10年的發展，激光等離子體微推進技術已經展現出廣闊的發展空間，衍生出多種工作狀態和模式，在多個方面和研究角度上產生了眾多研究成果，特別是在靶特性研究和微推力器器件集成方面，相關研究較為豐富和具體。然而，目前仍然存在許多技術上的未知問題，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注，激光等離子體微推進技術必將會在航天器控制領域得到更廣泛的應用。

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