纳秒脉冲激光烧蚀甲醛树脂产生的等离子体推进研究

激光等离子体推进技术是一项新的推进技术，其原理是利用激光辐照靶材产生超音速喷射的等离子体的反作用力作为动力。相对于传统的化学燃料推进，不但具有高的有效载荷比、高的推进效率，发射费用降低近二个数量级，而且可以产生从牛到微牛大变化范围的推力。项目针对于传统金属靶材中高热导系数、烧蚀后污染大以及比冲小的缺点，将研究重点放到甲醛树脂在纳秒脉冲激光烧蚀后产生的等离子体的推进上面，以高分子材料取代金属靶材。首先研究激光参数对甲醛树脂产生的等离子体基本特性的影响，确定甲醛树脂的离化阈值以及等离子体的推力特性。然后着重于提高等离子体推进中的耦合系数和比冲。通过靶结构和烧蚀模式的改变，特别是通过聚酰亚胺薄膜约束甲醛树脂等离子体纵向膨胀的约束烧蚀，以实现耦合系数的大幅度提高。

项目对纳秒激光直接烧蚀甲醛树脂、聚酰亚胺等高分子材料产生的动量耦合系数及推进比冲进行了研究，合成并测量了不同高分子靶的推进性能，通过靶结构的合理设计，使推进比冲大大提高；通过对等离子体推进过程中靶动量的测量装置的重新改进，使测量误差大幅度减小。在甲醛树脂材料作为约束层的液体约束烧蚀等离子体推进中，测量了约束烧蚀下液体靶材的发散角和溅射液滴尺寸，提高了液体靶材在激光等离子体推进领域的应用。具体为：（1）合成了不同碳掺杂的聚酰亚胺薄膜，并测试了其动量耦合系数，发现碳含量在5%左右的聚酰亚胺的动量耦合系数最高，达到了105dyne/W。（2）通过控制聚酰亚胺靶的烧蚀面积，降低烧蚀过程中由于热传导和溅射造成的质量损失，使推进系统的比冲达到了1520s。（3）通过在靶动量测量装置中加入双束探测光的设计，使测量结果不受靶宽度及探测光光斑尺寸的影响，与理论值相比，测量误差小于2%。（4）在甲醛树脂靶材约束下的液体推进中，动量耦合系数与比冲跟液体的黏度系数有关，黏度系数越大，烧蚀液滴发散角越小，液滴尺寸越大。通过液体靶材黏度系数的调节，可以实现对比冲和耦合系数的控制。.项目完成了纳秒脉冲激光烧蚀甲醛树脂及聚酰亚胺等高分子靶材产生的等离子体的烧蚀推进特性研究，得到了有价值的数据及结果，并与项目预期结果基本相同，在完成过程中发表论文10篇及申请专利3项。