激光化学推进新概念和机理研究

Laser chemical propulsion is a new mode of laser propulsion technology, which is a combination of laser propulsion and chemical propulsion. The kinetic energy of thruster is converted by not only the laser energy, but also the chemical energy during the chemical laser propulsion process. It can also improve the momentum coupling coefficient and specific impulse, so it can greatly improve the overall propulsion performance of the thruster, which can reduce the requirement of laser power under the same thrust compared with tranditional laser propulsion. At the same time, the specific impulse and maneuverability of laser chemical propulsion are better than those of chemical propulsion. At present, the mechanism of formation of laser chemical propulsion is unclear.By combining the experimental study of molecular spectroscopy and propulsion performance, the present project will try to fully understand the mechanism of laser chemical propulsion and the propulsion performance improving by the release of chemical energy. After all, people can take a step forward in understanding this phenomenon. The present project can provide new clues for the laser propulsion performance accordingly.It can also provide a new way for developing laser propulsion technology to application stage. The present investigation will have an academic significance for propulsion technology.

激光化学推进是一种新型的激光推进技术，它将激光推进和化学推进相结合，不仅可以将激光能量转化为动能，还引入了化学能，同时提高冲量耦合系数和比冲，从而提高推力器整体的推进性能，可降低同等推力下对激光功率的要求。同时，较化学推进有更高的比冲和更优的可控性，发展前景诱人、意义重大。目前对其形成机制和化学能对推进性能的影响机理尚不清楚。本项目试图通过对激光作用工质后的产物的分子光谱分析实验，结合推进性能实验和数值模拟，弄清激光化学推进的形成机制和化学能释放提高推进性能的机理，为人们认识这一现象向前跨进一步。本项目可望有针对性地指导提高激光推进性能，同时也为激光推力器的设计、性能评估和工质筛选提供基础，是激光化学推进技术走向实用的关键环节，在空间推进中具有重要科学价值。

激光化学推进是一种新型的激光推进技术，它将激光推进和化学推进相结合，不仅可以将激光能量转化为动能，还引入了化学能，同时提高冲量耦合系数和比冲，从而提高推力器整体的推进性能，可降低同等推力下对激光功率的要求。目前对其形成机制和化学能对推进性能的影响机理尚不清楚。在国家基金委资助下，本项目通过3年努力，全面完成了预定研究内容和目标。以化学能的释放为线索，分析激光化学推进的基本原理，将其物理过程简化为两个阶段：（1）激光与工质相互作用阶段；（2）激光作用后产生的高温高压气团在推力器中的流场演化阶段。化学能的释放既可以出现在激光作用时，也可以出现在激光作用后的高温高压气团在推力器内流场演化过程中。在无推力器约束和有推力器约束两种条件下，分别对1atm大气和1atm氮气两种气体环境中的POM（聚甲醛）工质的推进性能进行了对比实验，发现在推进过程中激光烧蚀后的产物与大气环境中氧气发生了放热反应，验证了在激光化学推进中化学能释放的存在。通过分子光谱分析，得到了激光作用于POM工质后产生的气团在真空和大气环境下的最终产物：真空中的最终产物为CH2O，大气环境中的最终产物为CO2和H2O。确认了其在1atm大气环境中所发生的化学反应，以及所释放的化学能。结合高速纹影实验和Fluent数值模拟，追踪推力器约束下的POM工质在激光作用后的流场演化过程。采用有限速率化学反应模型得到的模拟结果与高速纹影实验吻合较好。结果表明，化学能释放的激烈程度与产物气团和大气中氧气的混合程度相关，混合得越充分，化学能释放得越激烈。.本项目基本弄清了激光化学推进的形成机制和化学能释放提高推进性能的机理，可有针对性地指导提高激光推进性能，同时也为激光推力器的设计、性能评估和工质筛选提供基础，在激光推进领域中具有重要科学价值。