甘油的黏度对激光等离子体推进的影响

郑志远，贺 然，董爱国，樊振军

（1.中国地质大学物理实验教学示范中心，北京100083；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

1 引 言

强激光辐照到物质表面将物质离化，产生高速喷射的等离子体.在等离子体喷射的同时，由于动量守恒，产生反方向的作用力，这便是激光等离子体推进的基本原理.激光等离子体推进由于其耦合系数高、发射成本低、有效载荷比高等特点而成为近几年推进领域的研究热点[1－2].在激光等离子体推进中，根据其推进材料形态的不同分为固体靶材、气体靶材和液体靶材推进.一般来说，液体靶材具有较高的动量耦合系数，且便于存储和供给，是一种理想的推进材料.日本科学家Yabe于2002年首先研究了液体水作为烧蚀材料的激光推进，冲量耦合系数达到3 500N／MW，由此掀起了研究液体靶材的高潮[3].中国科学院物理研究所的张杰小组通过较好地设计约束型靶结构，将液体水的冲量耦合系数提高到了2 500N／MW，相对于直接烧蚀提高了近2个数量级[4－5].Uchida等人对二乙醚、水、乙二醇等液体进行了测量，并提及液体黏度对推进效果的影响[6].对于所有的这些液体靶材而言，在烧蚀过程中存在严重的溅射现象，影响了推进效率，特别是推进比冲，目前报道的液体推进中的比冲仅为几s，这一点严重限制了液体推进剂的进一步应用.为解决比冲低的问题，美国学者Sinko[7]在实验中采用小体积的容器来限制与激光相互作用的液体的量，洪延姬小组采用雾化水滴来控制液体的供给量[8].这些实验得到的最大比冲也仅有100s，这个结果距离实际应用还有很大的差距.Fardel小组研究了液体聚合物在激光烧蚀后的溅射行为，认为合理黏度的液体是理想的液体推进材料[9].本文选取黏度较大的甘油作为研究对象，测量了黏度对推进效果的影响.

2 实 验

实验中用作盛放液体的容器是甲醛树脂块材（厚度为0.3cm，直径为1cm），在甲醛树脂中有1个深度为0.25cm、直径为0.4cm的坑，被激光烧蚀的甘油便放于其中.脉冲宽度为10ns、波长为532nm、最大能量为150mJ的脉冲激光经过透镜（f＝500mm，φ＝50mm）垂直聚焦到甲醛树脂容器中甘油的表面.为了检测液体被烧蚀后甲醛树脂靶的摆动，1束聚焦后的氦氖激光沿靶表面入射到另一端的二极管上.甲醛树脂靶摆过氦氖激光束的时间由示波器记录，这样通过甲醛树脂容器的厚度便可以获得其飞行速度，从而获得其被烧蚀后的动量[10].靶动量与入射激光能量的比值为动量耦合系数.而靶动量与消耗的液体重力的比值为推进比冲.

甘油黏度的变化是通过改变环境温度来实现的.将甲醛树脂容器中的甘油放到2个温度可控的恒温水浴器之间，通过恒温水浴的温度控制实现对甘油温度的调节.在甲醛树脂容器的底部放置了温差电偶温度计，以实现对温度的实时测量.实验装置示意图如图1所示.此外，实验中每个数据点均测量20次以上，然后取平均值.

图1 实验装置示意图

3 实验结果与分析

图2为甘油在不同环境温度下产生的靶动量.由图2可以看出，动量耦合系数随温度的升高呈现先增加后降低的变化趋势，在环境温度为12℃时，最大靶动量约为6.97×10－4kg·m·s－1；而在环境温度为40℃时，靶动量约为3.53×10－4kg·m·s－1.实验中160mJ的激光入射能量，最大靶动量对应的动量耦合系数为4.36×103N／MW.

图2 甘油在不同温度下产生的靶动量

图3为不同入射激光能量下激光烧蚀甘油产生的靶动量.从图中可以明显地看出，靶动量随入射激光能量的增加而增加；激光入射能量越大，环境温度对靶动量的影响越明显.

图3 激光烧蚀甘油产生的靶动量与入射激光能量的关系

甘油作为烧蚀靶材料所产生的动量，除了与本身的物理量如相对分子质量、密度、离化阈值等有关外，还与其黏度密切有关.甘油的黏度随温度的降低而始终呈现增大趋势（表1），而产生的靶动量却存在最大值.原因是液体靶材所产生的动量一部分来自等离子体的喷射，而另一部分则来自没有离化的液体的溅射.随着液体黏度的增加，没有离化的液体的溅射量将降低，产生的靶动量也随之降低.合理黏度的液体可以控制本身的溅射行为，从而提高其靶动量和比冲.实验中将甘油的实验结果与水的进行了比较，发现相同实验条件下甘油的靶动量均高于水的，原因之一是甘油的黏度均高于水的黏度.此外，环境温度对甘油比冲的影响呈现出与靶动量相类似的变化趋势，最大值约为12s.

表1 甘油在不同温度下的黏度

图4是采用压力传感器测量的靶烧蚀后产生的压力.将固定的压力传感器与甲醛树脂容器背部靠在一起，在甘油被烧蚀喷射的同时，给压力传感器反作用力，该压力由传感器经过信号调制器输入示波器，再将示波器中信号的振幅大小换算为压力值.图4中的插入图是示波器上显示的典型压力信号，该信号的半高全宽约几十ms.从图中可以看出，随入射激光能量的增加，烧蚀压力呈增加趋势，大小在几十N的范围内（例如在激光能量为160mJ时，产生的压力约为97.3N），这一点与图3中的靶动量随入射能量的增加而增大的结论是一致的.

图4 不同能量下激光烧蚀甘油产生的压力

4 结 论

研究了甘油在不同环境温度下的烧蚀推进效果.由于甘油的黏度较大，受环境温度的影响较明显，在激光烧蚀后产生的靶动量呈现最大值.因此合理地利用不同黏度的液体靶材料，在提高动量耦合系数的同时，有效地降低烧蚀过程中的溅射量，可得到合理的动量耦合系数和推进比冲.

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