激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

葉繼飛， 洪延姬， 李南雷， 周偉靜， 常 浩， 邢寶玉

航天工程大學(xué)宇航科學(xué)與技術(shù)系激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 101416

0 引 言

激光燒蝕推進(jìn)技術(shù)是利用激光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中，產(chǎn)生的燒蝕產(chǎn)物以一定速度噴射形成反作用力實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的一種推進(jìn)方式.將該技術(shù)引入至微推進(jìn)領(lǐng)域始于2000年左右，美國(guó)學(xué)者PHIPPS等[1]首次提出了激光燒蝕微推力器的概念.激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展涉及到激光推進(jìn)理論發(fā)展，隨著激光推進(jìn)技術(shù)的衍生，逐漸分離成獨(dú)立的一個(gè)方向，在激光燒蝕微推進(jìn)理論方法獨(dú)立發(fā)展，同時(shí)，推進(jìn)性能方面基于激光燒蝕基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了較為普遍的認(rèn)識(shí)，得到了半經(jīng)驗(yàn)的規(guī)律認(rèn)識(shí)，工質(zhì)材料涉及到金屬、非金屬和聚合物等各領(lǐng)域[2].

另外，在激光燒蝕微推力器集成與性能測(cè)試方面，固體工質(zhì)由于較為穩(wěn)定的推進(jìn)性能和易于成型等特點(diǎn)，成為激光燒蝕微推力器考慮的主要工質(zhì)形態(tài).而考慮的主要問(wèn)題是工質(zhì)的傳送問(wèn)題，如纖維工質(zhì)或帶狀工質(zhì)等，透射式工質(zhì)燒蝕模式成為主流的工質(zhì)成型方式，其更有利于推進(jìn)性能的提高，特別是沖量耦合性能的提高較為顯著[3]；激光燒蝕微推進(jìn)性能的測(cè)量技術(shù)也是該領(lǐng)域必須關(guān)注的研究熱點(diǎn)，特別是微沖量的測(cè)量，以及微推力器整機(jī)微推力的測(cè)量，是測(cè)量過(guò)程中關(guān)注的重點(diǎn)[4].

在整個(gè)激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，各種類(lèi)似的微推進(jìn)技術(shù)也得到長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展，如脈沖等離子體微推進(jìn)、場(chǎng)引致的電噴推進(jìn)等，類(lèi)似的微推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展各具特色，其性能各有側(cè)重，激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)同樣占得一席之地，也向工程應(yīng)用進(jìn)行了積極的努力.

激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)備受關(guān)注的學(xué)科領(lǐng)域，本文將系統(tǒng)回顧激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)發(fā)展歷程，總結(jié)分析各理論分支發(fā)展情況，歸納總結(jié)各主要關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展和主要方向，分析類(lèi)比同類(lèi)微推力器的技術(shù)狀態(tài)，給出激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)發(fā)展建議.

1 激光燒蝕推進(jìn)基本理論

1.1 激光燒蝕基本物理過(guò)程

在整個(gè)激光燒蝕過(guò)程中，主要的物理過(guò)程主要有靶材的受熱升溫、熔融和氣化、蒸氣高速?lài)娚洚a(chǎn)生沖量以及激光強(qiáng)度足夠時(shí)產(chǎn)生等離子體等階段.而對(duì)于燒蝕產(chǎn)物形成沖量有貢獻(xiàn)的主要階段，通常為激光熱燒蝕和產(chǎn)生等離子體兩個(gè)重要物理階段.這兩個(gè)階段主要的誘因也在于激光的強(qiáng)度和吸收深度的大?。杭す馕丈疃容^小，強(qiáng)度較高時(shí)，容易達(dá)到產(chǎn)生等離子體，形成以等離子體機(jī)制為主導(dǎo)的“面模型”理論；激光吸收深度較大，以熱燒蝕構(gòu)成為主，形成以氣化機(jī)制為主導(dǎo)的“體模型”.

1.2 “面模型”與“體模型”

PHIPPS在1988年的文獻(xiàn)[2]得到了沖量耦合系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律公式

(1)

對(duì)于PHIPPS等[2]和FABBRO等[5]提出的“面模型”和“體模型”，是基于對(duì)靶材對(duì)激光的吸收深度與熱擴(kuò)散深度之間的競(jìng)爭(zhēng)提出的，“面模型”沖量耦合系數(shù)Cmp的表達(dá)如下：

(2)

其中，A和Z分別為等離子體平均原子量和平均電離價(jià).“體模型”的沖量耦合參數(shù)Cmv表示為

(3)

其中，ρ為材料密度，qv為比燒蝕能，α為材料對(duì)激光的吸收系數(shù)，Φ0為入射的激光能量密度.

兩種機(jī)制是存在轉(zhuǎn)換條件的，隨著激光能量密度的提高，氣化機(jī)制向等離子體機(jī)制轉(zhuǎn)變，日本SINKO等[6]建立了基于電離度的氣化機(jī)制向等離子體機(jī)制的轉(zhuǎn)化模型，沖量耦合系數(shù)表達(dá)為

(4)

圖1 兩種模型轉(zhuǎn)換沖量耦合系數(shù)變化曲線[6]Fig.1 Change curve of impulse coupling coefficient of two models[6]

圖1中同時(shí)給出了包括POM、CN、CH在內(nèi)的多種復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與理論模型計(jì)算結(jié)果吻合較好.沖量耦合在氣化機(jī)制向等離子體機(jī)制轉(zhuǎn)換的過(guò)程中達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)激光能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的能力最強(qiáng)，也即所謂“最優(yōu)沖量耦合”，在此條件下的激光燒蝕特性是理論研究關(guān)注的重點(diǎn).

1.3 最優(yōu)沖量耦合理論

對(duì)某給定激光脈寬，最優(yōu)沖量耦合與等離子體形成閾值對(duì)應(yīng)的激光強(qiáng)度非常接近，前者略大于后者.如圖2所示，PHIPPS等[7]總結(jié)了真空條件下16個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了46個(gè)最優(yōu)沖量耦合情況下的激光強(qiáng)度與脈寬對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，認(rèn)為最優(yōu)沖量耦合主要由等離子體特性決定，對(duì)應(yīng)的激光強(qiáng)度，只與激光脈寬有關(guān)，與激光波長(zhǎng)和靶材材料特性相關(guān)性不大.

圖2 最優(yōu)沖量耦合對(duì)應(yīng)的入射激光能量密度與脈寬關(guān)系[7]Fig.2 Relationship between incident laser energy density and pulse width corresponding to optimal impulse coupling[7]

圖2中，寬斜對(duì)角帶為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線，最優(yōu)沖量耦合條件下，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，激光強(qiáng)度與激光脈寬呈線性關(guān)系.

2 激光燒蝕微推力器技術(shù)發(fā)展歷程

基于激光燒蝕推進(jìn)的原理，構(gòu)建一種激光燒蝕微推力器，研究連續(xù)供給工質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光燒蝕微推進(jìn)的技術(shù)可行性，激光燒蝕微推力器技術(shù)的發(fā)展受到包括美國(guó)、德國(guó)、日本和俄羅斯等世界各國(guó)主要技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的持續(xù)關(guān)注.

2.1 美國(guó)Phipps團(tuán)隊(duì)的主要貢獻(xiàn)

在激光燒蝕微推進(jìn)領(lǐng)域，美國(guó)的CLAUDE PHIPPS團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果最具有代表性.PHIPPS團(tuán)隊(duì)于2000年左右率先提出了激光燒蝕微推力器的概念，并在美國(guó)Techsat-21計(jì)劃支持下開(kāi)展了微推力器的研制工作，分別與2003年至2006年提出了一種透射式激光燒蝕工質(zhì)帶的激光燒蝕微推力器的桌面系統(tǒng)和原理樣機(jī)[8- 9]，其性能指標(biāo)如表1所示.

表1 美國(guó)Phipps團(tuán)隊(duì)微推力器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of micro thruster of Phipps team in USA

實(shí)物照片如圖3所示[8- 9].

圖3 Phipps團(tuán)隊(duì)推力器桌面系統(tǒng)和原理樣機(jī)實(shí)物圖Fig.3 The desktop system and prototype of the thruster of Phipps team

在美國(guó)Phipps小組的引領(lǐng)下，國(guó)際上陸續(xù)開(kāi)展了激光燒蝕微推力器技術(shù)的相關(guān)研究工作，如瑞士的Lippert小組、美國(guó)的Sinko、日本Sasho等，以及德國(guó)航空宇航中心(DLR).

2.2 其他團(tuán)隊(duì)的激光燒蝕微推力器研制進(jìn)展

日本東京都立產(chǎn)業(yè)技術(shù)學(xué)院的NAKANO等[10]，研制了一款激光點(diǎn)火模式的激光燒蝕微推力器，用于溫室氣體觀測(cè)微小衛(wèi)星(KKS-1)搭載飛行驗(yàn)證，如圖4所示.衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)量約10 kg，體積15 cm×15 cm×15 cm，激光燒蝕微推力器采用半導(dǎo)體激光點(diǎn)火固體含能推進(jìn)劑(B/KNO3)，預(yù)計(jì)產(chǎn)生60 mN·s的沖量，比沖約100 s，設(shè)計(jì)產(chǎn)生衛(wèi)星角速度變化量38(°)/s.但是，由于衛(wèi)星CPU失靈，試驗(yàn)沒(méi)有獲得測(cè)試結(jié)果.

圖4 日本東京都立產(chǎn)業(yè)技術(shù)學(xué)院激光點(diǎn)火微推力器Fig.4 Laser ignition micro thruster of Tokyo Tori Institute of Technology

俄羅斯GURIN等[11]2019年報(bào)道了一款激光燒蝕微推力器的在軌飛行試驗(yàn)的嘗試，采用10 W光纖耦合半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)了4 mN的平均推力，400 s的比沖，2U的體積，最小沖量元可達(dá)1 μN(yùn)·s，動(dòng)態(tài)范圍3個(gè)數(shù)量級(jí).該推力器計(jì)劃用于驗(yàn)證微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制，2017年11月搭載發(fā)射，由于發(fā)射問(wèn)題導(dǎo)致失敗任務(wù).如圖5為推力器樣機(jī)內(nèi)部組件數(shù)字樣機(jī)和推力測(cè)試曲線.

圖5 俄羅斯Gurin等人的激光燒蝕微推力器及其性能Fig.5 Laser ablation micro thruster of Gurin team in Russia and its performance

2017年德國(guó)DLR報(bào)道了一款集成度更高、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的激光燒蝕微推力器的概念[12]，該推力器功耗小于2 W，集成在0.3 U的體積內(nèi)，質(zhì)量不大于300 g，采用液態(tài)鏡頭改變光學(xué)系統(tǒng)焦距，同時(shí)采用MEMS高集成度掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)光束掃描，由于較高的集成度，功耗和質(zhì)量都大大降低.

圖6 德國(guó)DLR的激光燒蝕微推力器樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch map of laser ablation micro thruster prototype in Germany DLR

2.3 國(guó)內(nèi)激光燒蝕微推力器技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)激光燒蝕微推力器技術(shù)在激光推進(jìn)技術(shù)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，自2000年左右逐漸形成積累.2007年，中國(guó)科技大學(xué)蔡建[13]研制了二極管激光器透射式燒蝕固體工質(zhì)靶的激光燒蝕微推力器樣機(jī)，其比沖為170 s，沖量耦合系數(shù)為20 μN(yùn)/W.2016年，南京理工大學(xué)王曉勇等[14]研制了基于透射模式的激光燒蝕微推力測(cè)試樣機(jī)，采用半導(dǎo)體激光器光纖耦合聚焦燒蝕疊氮縮水甘油酸材料制作的靶帶，最高比沖為104 s，最高沖量耦合系數(shù)為247 μN(yùn)/W.2017年，航天工程大學(xué)洪延姬等人研制了光纖耦合半導(dǎo)體激光燒蝕碟片式工質(zhì)盤(pán)激光燒蝕微推力器原理樣機(jī)[15]，最高比沖為684 s，沖量耦合系數(shù)223 μN(yùn)/W.

圖7 洪延姬等人研制的激光燒蝕微推力器及其推力性能Fig.7 Laser ablation micro thruster developed by Hong Yanji et al and its thrust performance

3 主要關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 激光燒蝕微推進(jìn)性能

激光燒蝕微推進(jìn)性能主要關(guān)注的是沖量耦合系數(shù)和比沖的特性，沖量耦合系數(shù)反應(yīng)的是激光能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的能力，比沖反應(yīng)了噴射的燒蝕質(zhì)量所形成沖量的大小.在激光燒蝕微推力器的應(yīng)用中，功率和質(zhì)量實(shí)質(zhì)上都是受到約束的，典型的立方星的應(yīng)用場(chǎng)景下，微推力器的功耗通常不超過(guò)10 W，質(zhì)量不超過(guò)1 kg，因此，目標(biāo)是在有限的功率和質(zhì)量約束下，獲得更高的動(dòng)能，也即沖量耦合性能和比沖都較高，反映為燒蝕效率較高，燒蝕效率的表達(dá)如下

(5)

其中，g0為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?

燒蝕效率表征了激光能量轉(zhuǎn)化為噴射粒子動(dòng)能的效率，也綜合反映了沖量耦合系數(shù)和比沖的性能.經(jīng)過(guò)優(yōu)化的激光燒蝕比沖性能通?？梢赃_(dá)到200 s以上，沖量耦合系數(shù)根據(jù)工質(zhì)條件不同，可達(dá)100 μN(yùn)/W以上，因此樂(lè)觀估計(jì)激光燒蝕推進(jìn)性能燒蝕效率通常在10%以上[16].需要注意的是，此處的能量轉(zhuǎn)換完全是基于激光光能的，因此，在化學(xué)能占比較大的能量是否過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超過(guò)100%的效率，如文獻(xiàn)[3]報(bào)道的130%的燒蝕效率是采用了含能材料作為燒蝕工質(zhì)實(shí)現(xiàn).

3.2 工質(zhì)特性對(duì)推進(jìn)性能的影響

工質(zhì)材料的特性是激光燒蝕微推進(jìn)性能提升的關(guān)鍵，通常激光參數(shù)的獲取所受約束較多，而工質(zhì)特性的設(shè)計(jì)則自由度較大，主要研究工作關(guān)注的重點(diǎn)涉及選材、結(jié)構(gòu)和摻雜等方面[17].

工質(zhì)的選材主要考慮凝聚態(tài)材質(zhì)，單元素金屬工質(zhì)通常具有更高的比沖，作為常見(jiàn)的金屬鋁材料比沖通常大于1 000 s[18]，而由于金屬材料不具有較好的柔韌性，使得金屬材料的供靶較為困難.因此，非金屬?gòu)?fù)合材料成為關(guān)注的重點(diǎn)，比如聚氯乙烯(PVC)、聚甲醛樹(shù)脂(POM)等都是常見(jiàn)的工質(zhì)材料選材.由于復(fù)合材料的燒蝕閾值較低、對(duì)激光的吸收深度較大，使得其比沖性能較低，通常在100～200 s之間[16].含能材料選取的目的是將化學(xué)能增加到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能夠提高燒蝕效率，特別是燒蝕率較高、分解產(chǎn)物較徹底的高分子聚合物含能材料成為首選，比沖可達(dá)500 s以上[3].

為了增加工質(zhì)材料對(duì)激光的吸收，通常采用摻雜的方式，典型的摻雜雜質(zhì)為碳粉或紅外染料，摻雜質(zhì)量份數(shù)通常在1%～5%之間，這種程度的摻雜能夠，對(duì)于一些激光透過(guò)率較高的工質(zhì)材料，能夠顯著改善激光能量的吸收率，同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，比如摻雜雜質(zhì)的團(tuán)聚會(huì)引起激光吸收的不均勻，摻雜導(dǎo)致燒蝕產(chǎn)物分解不徹底等.

多層結(jié)構(gòu)的工質(zhì)靶材最早由Phipps等人提出，后來(lái)逐漸確定了一種透光層和燒蝕層復(fù)合的雙層工質(zhì)材料結(jié)構(gòu)[19]，這種結(jié)構(gòu)一方面可以避免燒蝕產(chǎn)物污染激光入射端光學(xué)組件，另一方面特定設(shè)計(jì)的燒蝕層厚度能夠?qū)g區(qū)形成一種約束效應(yīng)，提高燒蝕區(qū)內(nèi)燒蝕壓，使得推進(jìn)性能得到提升，而具體的問(wèn)題就是起到約束作用的工質(zhì)層厚度需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，復(fù)合層之間的結(jié)合力對(duì)約束燒蝕過(guò)程影響較大，需要增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合.

3.3 激光器件的制約與實(shí)現(xiàn)

激光器技術(shù)的發(fā)展一直是制約激光燒蝕微推力器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，直到小型的瓦級(jí)激光器件的出現(xiàn)，使得激光燒蝕微推力器集成成為可能.已有研究報(bào)道所采用的激光器件典型的包括半導(dǎo)體激光器、微片激光器、光纖激光器等.其中，半導(dǎo)體激光器由于其較高的電光轉(zhuǎn)換效率(通常大于40%)，受到更多的關(guān)注和應(yīng)用，特別是更易于光束整形聚焦的光纖耦合的半導(dǎo)體激光器成為激光燒蝕微推力器激光器件選型的首選.

在進(jìn)行更為有效的光束控制，甚至合束的情況下，也可以對(duì)芯片級(jí)的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如德國(guó)DLR所采用的液態(tài)透鏡的光束聚焦控制[12].另外，為了提高激光聚焦焦點(diǎn)對(duì)工質(zhì)的覆蓋，需要掃描振鏡、光纖集束或者激光陣列來(lái)完成，如蔡建等[20]采用了光纖集束覆蓋燒蝕工質(zhì)減少供給維度、PHIPPS等[9]采用6個(gè)自由光耦合輸出的狹長(zhǎng)形光斑覆蓋工質(zhì)帶寬度，這些情況都需要更為復(fù)雜的光學(xué)鏡組來(lái)滿足設(shè)計(jì)需求.

3.4 激光燒蝕微推力器的集成

激光燒蝕微推力器的集成的基本構(gòu)建思路基本相同，都是采用了模塊化的設(shè)計(jì)，主要包括激光器模塊、工質(zhì)供給模塊和控制模塊3部分，再進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成整個(gè)微推力器的集成[21].

其中，激光器模塊主要為光路光學(xué)組件，目的是將激光器輸出的激光聚焦于工質(zhì)待燒蝕的空間位置，輸出的聚焦激光光斑需要滿足設(shè)計(jì)的功率密度需求，通常需要達(dá)到105W/cm2以上，也即常見(jiàn)物質(zhì)的激光燒蝕的氣化閾值量級(jí)，因此，在瓦量級(jí)的激光輸入條件下，聚焦光斑尺度通常在十微米量級(jí)，這對(duì)光學(xué)光路設(shè)計(jì)有一定的挑戰(zhàn).

工質(zhì)供給模塊主要由工質(zhì)材料及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常需要由電機(jī)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力，主要考慮執(zhí)行步長(zhǎng)、力矩輸出和保持力矩等參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題.如果對(duì)于激光焦點(diǎn)要對(duì)工質(zhì)燒蝕面進(jìn)行二維掃描，則需要兩個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般為了減小系統(tǒng)復(fù)雜程度、提高可靠性、避免額外的力矩輸出，有時(shí)需要采用光束集束或陣列的方法來(lái)覆蓋一個(gè)維度，減少傳動(dòng)維度.

控制模塊則是驅(qū)動(dòng)、控制與通信集成的電氣部分，需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)和激光器的供電驅(qū)動(dòng)，其中激光器的供電通常為大電流的恒流輸出模式，一般采用脈沖輸出方式，需要注意脈沖的上升和下降時(shí)間，同時(shí)壓低過(guò)沖，激光器與電機(jī)的控制需同步，按合適的頻率協(xié)同工作，控制邏輯由控制模塊處理器實(shí)現(xiàn)，與整星通信工作指令和遙測(cè)數(shù)據(jù).

3.5 適用于激光燒蝕微推進(jìn)的測(cè)量技術(shù)

激光燒蝕微推力器通常以脈沖方式工作，其推進(jìn)性能的評(píng)價(jià)是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，主要關(guān)注的推進(jìn)性能參數(shù)為比沖和沖量耦合系數(shù)，獲得此二者的關(guān)鍵在于直接特征參量沖量的測(cè)量.另外，對(duì)于一定重復(fù)頻率連續(xù)工作的激光燒蝕微推力器，其平均推力的測(cè)量也是關(guān)注重點(diǎn).對(duì)于沖量和平均推力的測(cè)量，主流的測(cè)量方法均是將沖量或平均推力轉(zhuǎn)化為擺的力學(xué)行為，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)幅值或轉(zhuǎn)動(dòng)位移，間接測(cè)量沖量和平均推力[4].

沖量的測(cè)量需要將脈沖推力考慮為瞬態(tài)力，做瞬間作用的假設(shè)，此時(shí)擺的固有周期要大于力的作用時(shí)間[22]，典型值為12.8倍，同時(shí)忽略阻尼比的影響，使沖量與擺的最大轉(zhuǎn)角之間的線性關(guān)系成立，沖量Im可由如下公式獲得

(6)

式中：d為力臂的長(zhǎng)度；J為對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωn為擺的無(wú)阻尼固有振動(dòng)頻率，各參數(shù)可事先標(biāo)定.典型的微沖量擺的測(cè)量范圍可達(dá)10-8～10-5N·s.

(7)

4 激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)與飛行驗(yàn)證情況

4.1 與激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)可類(lèi)比微推進(jìn)技術(shù)對(duì)比

將幾種典型的空間微推進(jìn)技術(shù)指標(biāo)覆蓋能力對(duì)比分析如表2所示.

表2 典型空間微推進(jìn)技術(shù)能力對(duì)比Tab.2 Comparison of typical space micro propulsion technology capability

由表中數(shù)據(jù)可以看出，激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)與其他類(lèi)型微推進(jìn)技術(shù)對(duì)比，其顯著特點(diǎn)是：1)最小沖量元較小，是激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)區(qū)別于其他微推進(jìn)技術(shù)的最顯著特點(diǎn).通常，激光燒蝕微推力器所能提供的沖量元在μN(yùn)·s量級(jí)，最小沖量元可達(dá)nN·s量級(jí).2)比沖動(dòng)態(tài)范圍較大，相對(duì)較高.激光燒蝕微推力器比沖通常在200 s以上，最高可達(dá)1 000 s左右，與冷氣、化學(xué)微推力器相比，比沖相對(duì)較高，與常見(jiàn)電推力器相比，比沖相對(duì)較低.3)推力水平相對(duì)較高.激光燒蝕微推力器平均推力可以根據(jù)脈沖的工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，平均推力最大可進(jìn)入mN，典型工況在百微牛量級(jí).

4.2 微推力器實(shí)際飛行經(jīng)歷的對(duì)比分析

微推力器的在軌飛行驗(yàn)證一定程度上反映了技術(shù)成熟情況.根據(jù)可見(jiàn)報(bào)道，具有在軌飛行驗(yàn)證經(jīng)歷的微推力器，有冷氣推進(jìn)和電推進(jìn)兩類(lèi).具體情況如表3所示[24].

表3 具有在軌飛行經(jīng)歷的微推力器Tab.3 Micro thrusters with on-orbit flight experience

當(dāng)前有約十余個(gè)微納衛(wèi)星在軌飛行中集成了推進(jìn)系統(tǒng)，多為冷氣推進(jìn)系統(tǒng).先進(jìn)冷氣微推進(jìn)系統(tǒng)比較成熟，在軌飛行驗(yàn)證型號(hào)數(shù)量和次數(shù)最多，飛行驗(yàn)證時(shí)間較早.微電推進(jìn)主要有三種，脈沖等離子體微推力器(PPT)、陰極微弧微推力器((CAT)和電噴微推力器(SiEPS)，其中PPT較為成熟，不同場(chǎng)合進(jìn)行過(guò)多次在軌飛行驗(yàn)證，(CAT和SiEPS屬于比沖較高的新型電推進(jìn)器類(lèi)型，在軌試驗(yàn)也獲得了成功的驗(yàn)證，激光燒蝕微推力器(點(diǎn)火模式，非燒蝕模式)也進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)嘗試，但遺憾衛(wèi)星失效未獲得在軌飛行數(shù)據(jù)[10].

5 我國(guó)激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)發(fā)展建議

5.1 聚焦微納衛(wèi)星需求優(yōu)化推進(jìn)性能

微納衛(wèi)星對(duì)微推力器的需求和約束，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)總沖需求.對(duì)于微納衛(wèi)星而言，主要關(guān)心的是微推力器的總沖，即在推力器壽命周期內(nèi)能夠提供給衛(wèi)星平臺(tái)速度增量的能力.給定體積與質(zhì)量約束下，總沖的需求直接與比沖相關(guān)，激光燒蝕推力器的應(yīng)用需要始終以提高比沖為目標(biāo)，在有限的質(zhì)量下產(chǎn)生較高的總沖量，以提高推力器完成任務(wù)的能力，這是激光燒蝕微推力器最主要的技術(shù)優(yōu)化方向.2)推力需求.在總沖需求確定時(shí)，推力需求直接與任務(wù)時(shí)間相關(guān).推力器需要根據(jù)任務(wù)操控時(shí)間和控制精度等方面的需求，確定推力水平的高低，激光燒蝕微推力器的推力需能夠在μN(yùn)～mN內(nèi)精確可控.3)最小沖量元需求.微納衛(wèi)星高精度姿軌控通常需克服分布式衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)受氣動(dòng)力矩最強(qiáng)和最弱的衛(wèi)星間的氣動(dòng)阻力差，需要的最小沖量元非常小，激光燒蝕微推力器最小沖量元需低至亞微牛秒的量級(jí).4)集成約束.微納衛(wèi)星要求微推力器的質(zhì)量和體積要盡量小，功耗盡可能低，系統(tǒng)集成度要求高.體積通常限制在1 U內(nèi)，質(zhì)量不超過(guò)1 kg，功耗通常不大于10 W.5)其他星上條件限制.主要是衛(wèi)星平臺(tái)的可靠性、成熟度和安全性等工程應(yīng)用方面的限制，具體來(lái)講，激光燒蝕微推力器主要面臨羽流、電磁污染等問(wèn)題.

5.2 突破激光微燒蝕液體工質(zhì)推進(jìn)機(jī)理

提高總沖最直接有效的方法是提高工質(zhì)的攜帶量.對(duì)于固體工質(zhì)激光燒蝕微推力器而言，為了盡可能提升工質(zhì)利用率，固體工質(zhì)通常需要較為復(fù)雜的傳送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)對(duì)燒蝕位置的掃描，而這種傳送結(jié)構(gòu)一方面增加了推力器的干重，另一方面也占據(jù)了較多空間，使得真正參與激光燒蝕的工質(zhì)質(zhì)量攜帶量受限，通常所能攜帶的工質(zhì)質(zhì)量約為十克量級(jí)，需要將比沖提升到千牛秒以上，工質(zhì)攜帶量需要提升十倍以上，固體工質(zhì)的傳送方式幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，極大限制了工程應(yīng)用.而液體工質(zhì)易于存儲(chǔ)和供給的特點(diǎn)，使工質(zhì)的攜帶量的增加成為可能.目前，相關(guān)激光微燒蝕液態(tài)工質(zhì)的機(jī)理研究尚處于起步階段，同時(shí)，還涉及到微流量供給、燃燒室設(shè)計(jì)等新的機(jī)理性問(wèn)題亟待解決.

5.3 緊密跟蹤突破短脈沖固體激光器技術(shù)

對(duì)于推進(jìn)技術(shù)而言，提高總沖的核心本質(zhì)手段是提高比沖，比沖的提高對(duì)激光燒蝕微推力器而言是推進(jìn)性能質(zhì)的提升.目前，工質(zhì)材料的研究拓展的范圍較寬，認(rèn)識(shí)較為全面，而具有增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的激光技術(shù)的發(fā)展，也將為比沖的提升提供重要的支持.實(shí)質(zhì)上，更高峰值功率密度的激光燒蝕條件會(huì)獲得更高的比沖性能，也即使燒蝕機(jī)制更加傾向于等離子體機(jī)制的主導(dǎo)條件.然而，實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于短脈沖高峰值功率的激光器件質(zhì)量和體積都過(guò)大，不利于微推力器集成，使得當(dāng)前激光器的應(yīng)用受限.隨著激光技術(shù)的發(fā)展，更大能量、更高集成度，以及更優(yōu)效率的固體激光器技術(shù)是激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn).

5.4 盡快推動(dòng)激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)成熟度提升

隨著微納衛(wèi)星應(yīng)用的成熟和推廣，其所承擔(dān)的任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜多樣，微推力器需求也隨之豐富起來(lái)，而能夠滿足需求的微推力器技術(shù)成熟度普遍不高，真正經(jīng)過(guò)在軌飛行驗(yàn)證的為數(shù)不多，相關(guān)技術(shù)成熟需求極為迫切，而激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)成熟度已可達(dá)到在軌驗(yàn)證的程度，應(yīng)盡快推動(dòng)在軌應(yīng)用性能測(cè)試，驗(yàn)證激光燒蝕微推力器實(shí)際應(yīng)用的可行性，獲得一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，掌握技術(shù)應(yīng)用底數(shù)，為不同微納衛(wèi)星動(dòng)力需求提供技術(shù)儲(chǔ)備.

5.5 進(jìn)一步拓展激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

由于激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)能力的不斷拓展，技術(shù)成熟度的逐漸提升，其技術(shù)領(lǐng)域的生存空間也在不斷擴(kuò)大，從只針對(duì)微納衛(wèi)星的姿軌控需求，向更多的應(yīng)用需求延伸，比如空間引力波探測(cè)等超靜平臺(tái)的姿態(tài)控制等[25].隨著空間平臺(tái)對(duì)遙感、探測(cè)等功能要求精度的提升，激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用潛力將會(huì)得到更大的挖掘.

6 結(jié)束語(yǔ)

激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展取得了許多技術(shù)突破和研究進(jìn)展，帶動(dòng)了一批科技力量持續(xù)投入研究，研究方向的發(fā)展取得了喜人的進(jìn)步.時(shí)至今日，以半導(dǎo)體激光器為能量源的、固體工質(zhì)激光燒蝕微推力器技術(shù)已趨于成熟，各研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)工程應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證的嘗試.新一代激光燒蝕微推力器將圍繞液體工質(zhì)、短脈沖激光等技術(shù)突破重點(diǎn)，形成更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的推進(jìn)性能.激光燒蝕微推力器作為一種可用于微納衛(wèi)星姿軌控動(dòng)力的電推進(jìn)技術(shù)，越來(lái)越向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方向發(fā)展，已成為眾多微納衛(wèi)星微推進(jìn)技術(shù)可選的方案之一.激光燒蝕微推進(jìn)技術(shù)蘊(yùn)含著激光、工質(zhì)等具有增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的發(fā)展因素，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)其推進(jìn)性能將獲得更大的提升.