激光等离子体推进中靶动量测量方法的改进

李 杰，王晓龙，冯文辉，郑志远

（中国地质大学数理学院，北京100083）

激光等离子体推进中靶动量测量方法的改进

李 杰，王晓龙，冯文辉，郑志远

（中国地质大学数理学院，北京100083）

总结了激光等离子体推进中靶动量的测量方法，设计了双光束测量方法.该方法能够减小靶宽度和靶的运动速度对测量结果的影响.

激光等离子体；推进；靶动量

1 引 言

激光等离子体推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的新型推进技术.与传统的化学推进相比，激光推进具有载荷比高、推进参量调节范围更大，易实现数字化控制等特点，而成为目前最具应用前景的推进技术之一［1－2］.在空间垃圾清除、微飞行器的姿态调整、轨道机动、近地轨道发射乃至深空飞行任务中将发挥重要作用.激光推进中有2个重要的参量，动量耦合系数与比冲.动量耦合系数的定义是单位激光能量产生的靶动量，它反映了激光能量的转化效率.而比冲是消耗单位推进剂所产生的动量，它反映的是工质的利用率.二者中都用到了动量，所以如何获得该等离子体产生的动量是激光等离子体推进中首先要解决的问题.动量测量的方法很多，其中单摆测量是一种结构简单、操作方便、测量精度相对较高的测量方法.目前已经有很多的研究小组将该方法应用于等离子体产生的冲量测量之中，但大多数情况下是通过测量靶摆动的角度、幅度或者周期等量，间接获取靶的动量.郑志远等利用靶的宽度和一束平行靶面的探测光获得了靶的速度，并结合靶质量获得靶的动量［3－5］.但在实验中发现，该方法仅适用于靶厚度较大的情况.对于靶厚度较小时，该方法产生的误差非常大，已经不再适用.为此，本文在原来的基础上采用2束探测光的方法，该方法能够明显降低靶宽度对测量结果的影响，而且与理论值相比偏差小于2%.

2 单摆测量方法

在采用单摆测量靶动量的过程中，典型的装置是将飞行器模型或者被烧蚀靶固定在摆线的底端，激光器输出的激光聚焦到靶的表面，将靶离化产生高速喷射的等离子体.根据动量守恒，在等离子体喷射的反方向将产生靶的摆动.在该过程中，通过记录摆的运动而获得动量.

摆的记录方式主要有3种：高速CCD［6］、干涉条纹［7－8］和单光束探测［3，9］.高速CCD能够记录下单摆所能达到的最大角度，然后推算出飞行器的初速度，继而计算出靶的动量.干涉条纹记录方法是将单摆与一个角耦反射镜相连，利用光的干涉条纹随着光程差变化的原理，建立明暗变化条纹的数目与角耦反射镜（单摆）移动距离的关系，通过示波器观察明暗变化条纹的数目即可推算出角耦反射镜（单摆）移动的距离，从而算出靶动量的大小.单光束探测方法是利用一束探测光平行穿过靶面，另一端用光电二极管接收并将信号传送到示波器.当靶摆通过探测光时会有一段遮挡时间，这时示波器会出现波形.该波形的宽度就是靶通过光束的时间，再利用靶的宽度，即可算出靶的速度，进而通过靶的质量可求出靶的动量.对于这几种记录方式高速CCD价格昂贵，而且最大角度对于计算误差影响较大.激光干涉法结合冲击摆，既保留了冲击摆的方法，又利用激光干涉法在测量微小位移的上的优势，克服了单纯冲击摆无法测量更小冲量的缺点，但对操作和环境的要求较高.单光束探测方法则结构简单，操作方便，普通实验室便可实现.

3 实验装置

实验装置如图1所示.2束相互垂直的He－Ne激光经过半透半反镜后变成相互平行的2束光，这两束光作为探测光并平行的穿过靶面.其中的一束He－Ne光直接进入光电管，而另一束He－Ne激光经全反镜后进入光电管.2个光电管输出的信号同时输入示波器.这样，示波器上采集的2个信号间的时间宽度Δt便是靶摆过2束He－Ne探测光的时间（图2）.然后由2束探测光之间的距离便可获得靶摆动速度.如果只有1束He－Ne光平行穿过靶面，示波器上获得的是单脉冲信号，取信号的半高全宽作为靶摆过探测光的时间，然后由靶的宽度获得摆动速度.最后与靶质量的乘积获得动量.

图1 实验测量装置示意图

图2 示波器采集的双束探测典型波形

4 结果与探讨

图3给出了不同靶宽度下测量的靶速度.实验中摆线的长度为24.5cm，靶宽为0.44mm，探测光光斑直径为2mm，将靶从偏离中心35°的位置下落.靶在最低点的速度作为理论值，式中：θ为下落角度，l为摆线长度.由图3可以看出，双线测量的结果与理论值基本吻合，而且靶宽度越小，吻合程度越好.实验中的最大测量误差约2%，这说明对于双束测量，能够明显降低靶宽度的影响.而对于单束测量则呈现出随靶宽度减小，测量值明显偏离理论值.对于宽度较大的靶，测量结果与双束测量的结果差别不大.对于宽度较小的靶，例如在靶宽度为0.12mm时，测量值与理论值的百分误差已经达到了80%.这说明在该靶宽条件下，单束测量方法已经不再适用.

图3 摆动速度随靶厚度的变化关系

对双束测量结果而言，图中呈现出的当靶宽度越小，测量值与理论值吻合程度越好的主要原因是：当靶宽较小时，示波器获得的信号为脉冲信号，在测量2个信号间的时间宽度时误差较小.当靶宽较大时，信号本身有一定的宽度，在测量2个信号间的时间宽度时会存在一定的误差，导致测量误差相对较大.另外，在双束测量方法中，靶本身的速度对测量结果的影响也较小.如图4所示，将靶从偏离中心位置不同的角度下落，在最低位置得到不同的速度.从图4可以看出，双束测量结果与理论值基本吻合，而单线测量结果随偏角的增大即靶速度的增加，误差变大.

图4 摆动速度与下落角度的关系

5 结束语

本文对目前激光等离子体推进技术中的动量测量方法进行了归纳和总结，并提出了双线测量方法.结果表明，该方法获得的结果明显降低靶宽度的影响，而且与理论值相比，误差很小.

［1］ 张楠，徐智君，朱晓农，等.激光推进技术［J］.红外与激光工程，2011，40（6）：1025－1037.

［2］ 陈静，谭荣清，郑义军，等.激光推进冲量耦合系数测量方法比较［J］.强激光与粒子束，2011，23（4）：871－874.

［3］ Zheng Z Y，Zhang J，Lu X，et al.Effects of confined laser ablation on laser plasma propulsion［J］.Chin.Phys.Lett.，2005，22（7）：1725－1728.

［4］ 郑志远，贺然，董爱国，等.甘油的黏度对激光等离子体推进的影响［J］.物理实验，2012，32（2）：7－9.

［5］ 峁军兵，李洋，程黎鹿，等.液体工质激光推进耦合的实验研究［J］.物理实验，2009，29（1）：40－42.

［6］ 李修乾，洪延姬，崔村燕，等.液体工质激光推进冲量耦合系数实验测试［J］.推进技术，2007，28（5）：526－529.

［7］ 叶继飞，金星，王广宇，等.激光干涉法测量微冲量数据处理法［J］.推进技术，2007，28（5）：516－521.

［8］ 金星，洪延姬，崔村燕，等.激光推进冲量耦合系数的测量方法［J］.强激光与粒子束，2004，16（7）：861－864.

［9］ 杨雁南，朱金荣，杨波，等.用于测量激光烧蚀下靶材获得冲量的方法［J］.中国激光，2007，34（3）：417－421.

Improvement of target momentum measurement in laser plasma propulsion

LI Jie，WANG Xiao－long，FENG Wen－hui，ZHENG Zhi－yuan
（Demonstration Center of Physics Experiment Teaching，
China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Base on the review of measurement methods of laser plasma momentum，a new method using two probe beams was proposed.This method could reduce the effect of target width and velocity.

laser plasma；propulsion；target momentum

V43

A

1005－4642（2012）08－0044－03

［责任编辑：郭 伟］

2012－03－21；修改日期：2012－05－24

大学生创新性实验计划项目（No.2011CXY079）；国家自然科学基金（No.10905049）；中央高校科研业务费（No.2010ZY52，2011YXL059）

李 杰（1993－），男，河北石家庄人，中国地质大学（北京）数理学院应用数学专业2009级本科生.

郑志远（1975－），男，山东潍坊人，中国地质大学（北京）数理学院副教授，博士，研究方向为强激光与物质作用研究.