激光微烧蚀"液态"聚合物诱发推力机理实验研究

为提升激光微推力器推进性能，更好的适应当前微小卫星姿轨控实际需求，针对激光与"液态"聚合物靶耦合产生的力学问题，以烧蚀过程中诱发的靶物质喷射现象为研究对象，采用理论分析和实验研究相结合的手段，以微冲量扭摆、微推力冲击摆和微烧蚀量测量装置等推进性能参数测量方法和小尺度光学流场诊断方法，研究"飞溅"现象的形成与控制机理，分析固体烧蚀机制与液体烧蚀机制的转化问题，确定激光微推进最优工况点的设计方法和推力有效控制的实施方法，项目预期将揭示"液态"聚合物靶材物理属性、激光参数、靶结构和掺杂等因素匹配下的激光微烧蚀力学性能，实现激光微烧蚀推进性能的提升。.项目的研究成果对于激光与推进技术交叉学科发展和应用成果转化具有重要意义，可以为新一代液体工质激光微推力器的设计提供科学依据。

项目主要获得如下几个方面的研究结论：.（1）获得了激光微烧蚀不同液态聚合物工质推进性能参数变化规律，主要结论有： GAP液体的冲量和冲量耦合系数无论在大小和稳定性方面都要有优势，在能量较低时（2J/cm2），GAP的冲量和冲量耦合系数的稳定性较差，当能量提高后烧蚀冲量增大使得冲量和冲量耦合系数比较稳定。.（2）获得了激光微烧蚀不同液态聚合物工质流场演化规律，主要结论有：1）当掺碳质量相同时，激光能量决定了激波速度，能量密度越大传播速度越快。2）飞溅过程喷射粒子前沿的速度要小于激波传播速度，发现了粒子喷射和激波阵面相互挤压的情况，但还没发现粒子喷射冲破激波阵面的现象。.（3）获得了激光烧蚀液态工质诱发推力与流场演化特性和推进性能的对应关系，主要结论有：1）随着激光能量增大，激光与物质作用变得强烈，测得的力也随着增大。2）粘度较小的液体工质烧蚀产生的力大于粘度较大的工质。3）含碳之后对激光的吸收集中在其表面，含碳质量分数越大，得到的压电信号越小，含碳5%的甘油烧蚀推力最大值仅为10.3N。.（4）获得了不同控制因素影响下的激光烧蚀推进性能变化规律，主要结论有：1）掺碳可以抑制液体工质喷射的溅射行为，高掺碳量的液体工质不再发生溅射行为，掺杂使得液体对激光的体吸收转化为表面吸收，使得液体的溅射行为得到抑制或消失，实验发现纯甘油的溅射行为明显，而掺碳浓度5%甘油溶液的溅射行为已经消失。2）粘度是液体工质的重要参数，实验发现粘度对液体的溅射行为影响明显，粘度0.01 Pa.s、浓度20%的GAP溶液溅射明显，而粘度14 Pa.s、浓度70%的GAP溶液无溅射，液体工质粘度的增加很好的抑制了溅射行为。3）毛细管口径的约束作用主要影响着液体工质烧蚀产物的喷射速度，实验研究了无约束和口径4mm、3mm、2mm约束对喷射速度的影响，发现2mm口径的激波速度和粒子喷射速度都要高于无约束的情况。