吸收系数对激光烧蚀二硝酰胺铵推进性能影响

孔红杰，叶继飞，毛晨涛，杜宝盛，郑永赞，崔海超

（航天工程大学宇航科学与技术系激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

0 引言

激光烧蚀推进作为一种新概念推进技术，拥有最小冲量元极小、低能耗、无污染等诸多优点［1］，可用于微纳卫星的轨道保持，姿态调整等极小推力宽范围［2］内的可调节推进任务。因此各国学者对激光推进进行了许多深入研究，发现合适靶材的选择对于激光推进有着十分重要的意义。目前，常见的靶材主要分为固体靶材和液体靶材2 种。其中固体靶材主要为金属、高分子聚合物、含能靶材和掺杂靶材等；相对于固体靶材，液体靶材有着冲量耦合系数大、便于供给和存储［3］等优点，但关于液体靶材的相关研究较少，尤其对一些新型液体燃料的研究。

二硝酰胺铵（ADN）自Zelinsky 有机化学研究所首次合成后［4］，众多学者对其合成工艺与燃烧过程进行了诸多研究。而目前ADN 基液体推进剂的研究与应用依旧处于初步阶段。国外方面，Wingborg［5］、Kappenstein［6］、Amrousse 等［7］先后对ADN 的溶解度、ADN 的水溶液以及其热解催化剂进行了相关研究。瑞典空间研究中心用ADN、甘氨酸、水、甲醇等组分研制出LMP-103S 液体推进剂，并首次将其应用于空间卫星姿态调整［8］。国内方面，大连化学物理研究所和中科院航天催化材料重点实验室［9］将ADN、甲醇以及微量稳定剂作为组分进行研制并取得了一定成果。陈君［10］对ADN 基液体推进剂高压燃烧反应以及其催化分解过程进行了模型建立实验验证，同时研究了喷注压力与推进剂结构参数对其燃烧过程的影响。景李钥［11-12］、张涛［13］分别对ADN 基液体推进剂空间发动机和推力器进行了仿真模拟。李雷等［14］研究了不同电极对ADN 基液体推进剂电点火特性的影响。北京控制工程研究所［15-17］设计了一种以ADN 燃料的空间微推力器，实际推力达到1.03 N，比冲达到210.2 s。对于ADN 基液体推进剂的研究，国内外学者研究大多基于传统的点火方式，在激光烧蚀推进方面则缺乏相关的研究。

本研究将激光烧蚀推进与ADN 液体推进剂相结合，把ADN-丙酮基液体推进剂作为液体靶材，激光烧蚀作为点火方式，以ADN 工质比例作为自变量，对ADN-丙酮基液体推进剂进行吸收系数的测量，同时利用高精度扭摆对激光烧蚀不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂所产生的微冲量进行测量。结合吸收系数测量结果与容器表征形貌对推进剂所产生的微冲量变化趋势进行分析。

1 实验部分

1.1 实验装置

吸收系数的测量主要利用近红外光谱仪测量装置，如图1 所示，主要组成部分为LS-NIR-PRO 可调型光源、近红光谱仪微型光纤式模块NIR-M-F1、支架、电源等。LS-NIR-PRO 可调型光源是近红外的宽光谱光源，光谱范围为600～2500 nm，其采用35 W 大功率发光灯泡，通过双重透镜的精密调节，把光斑高效聚焦到SMA905 光纤口，能够将输出功效提高十倍以上。NIR-M-F1 近红外光谱仪测量范围为900～1700 nm，光学分辨率10 nm，波长精度1 nm，信噪比6000∶1，适用于反射、透射及光源测量。支架用于放置比色皿，同时隔离外界光线，避免干扰。比色皿为透明的石英玻璃材质，内部空间厚度为100 μm。

图1 光谱仪测量装置Fig.1 Spectrometer measuring apparatus

微冲量的测量依靠微推力测量平台，如图2 所示，主要由高精度扭摆、激光测距仪、反射镜、平凸透镜等部分构成。其中激光器为Beamtech 公司的Nimma-400，重复频率1～10 Hz，脉宽6～8 ns，波长1064 nm，光斑直径8 mm 左右，最大单脉冲能量450 mJ；激光测距仪为wenglor 公司的PNBC001，分辨率0.06 μm，量程4 mm，线性偏差2 μm。通过调整位置角度，保证聚焦后的激光光斑落在容器的中心位置，且直径约1 mm。

图2 微推力测量平台Fig.2 Micro - thrust measuring platform

高精度扭摆主要由基座、支撑架、枢轴、枢轴支架、横梁支架、横梁等部分组成，如图3a 所示。高精度扭摆的核心部分为枢轴，其位于2 个枢轴支架中心，为扭摆提供了回复力，使得扭摆在受到脉冲力后能够进行二阶有阻尼自由振动。放置液体工质的容器如图3b所示，其中心为Φ5 mm×1 mm 的圆柱体空间用于放置推进剂；两侧为Φ2 mm 的通孔，方便固定于扭摆横梁上。容器内底面采用精加工的方式，平整度10 μm。

图3 高精度扭摆和容器模型Fig.3 High-precision torsional pendulum and container model

YAG 脉冲激光经反射镜和聚焦透镜后，作用于容器内的ADN-丙酮基液体推进剂上。推进剂吸收激光能量后，迅速产生气化、燃烧、溅射等一系列复杂的物理过程，从而产生冲量。由于容器固定在扭摆横梁上，横梁也受到瞬时作用的影响，在垂直平面内发生角度偏移，如图4 所示。扭摆在枢轴提供的回复力下进行二阶阻尼振动。

图4 扭摆的偏转状态Fig.4 Deflection of a torsional pendulum

设扭摆系统［18-19］的扭转角为θ；烧蚀力臂，即烧蚀端容器中心与枢轴中心的距离为l；测量力臂，即测距激光与枢轴中心的距离为d，扭摆的最大偏移量为L，则有：

式中，I为微冲量，J为扭摆的转动惯量，ωn为无阻尼固有频率，L为扭摆的最大偏移量，d为烧蚀力臂长度，l为测量力臂长度，ζ为阻尼比。其中转动惯量J，无阻尼固有频率ωn、阻尼比ζ均为系统参数，需进一步标定获得。

运用脉冲响应法［20-21］对本实验系统进行标定，最终得到的结果为l=0.095 m，d=0.085 m，J=2.47×10-4kg·m-2，ωn=19.47 rad·s-1，ξ=0.0014。

由于激光测距仪的最大量程为4 mm，即扭摆振荡最大幅值Lmax=2 mm，线性误差为2 μm，即扭摆振荡最小测量值Lmin=2 μm。因此，微冲量测量的最大值与最小值的关系如（2）式：

计算得出Imin=1.177 μN·s，Imax=1177 μN·s，即该测量装置的冲量测量范围为1.177～1177μN·s。

根据误差传递公式，在扭摆测量装置中有误差传递关系：

式中，σI为微冲量的标准差，σJ为转动惯量的标准差，σωn为 无 阻 尼 固 有 频 率 的 标 准 差，σζ为 阻 尼 比 的 标 准差。利用已知数据，结合扭摆的测量范围，带入式（3）中得到的冲量测量的相对误差1.26%。说明扭摆的测量结果可信度较高，能满足实验要求。

1.2 实验过程

工质采用由大连化学物理研究所研制的ADN 液体工质，该工质是一种淡黄色透明液体，对1064 nm激光的吸收率极低。采用epolin 公司的E2057 红外染料与丙酮的混合溶液作为吸收剂。称量15 mg 的红外染料与1 mL 的丙酮溶液，将其混合并完全溶解，制成吸收剂。以10%为等比例间距，将ADN 工质与吸收剂充分混合，构成不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂。

依次将不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂注入比色皿中，利用近红外光谱仪测量装置对其透射率进行测量，并根据透射率测量结果计算出吸收系数。

将不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂注入容器内，将液膜厚度控制在（300±50）μm，利用60 mJ 的单脉冲YAG 激光进行烧蚀，通过微冲量测量装置对烧蚀产生的微冲量进行测量，将获得的实验结果绘制成曲线。

结合ADN-丙酮基液体推进剂的吸收率，对其微冲量变化趋势进行分析。

2 结果与讨论

2.1 吸收系数测量结果

不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂通过近红外光谱仪测量装置得到的透射率结果如图5 所示，为了便于区分，按奇偶比例分为图5a（偶数）与图5b（奇数）。图中垂直黑线与曲线的交点即为该比例推进剂在1064 nm 激光下的透射率。

由图5 可以看出，推进剂在1064 nm 激光下的透射率随着ADN 含量的增加而增加，而吸收率则不断下降。纯吸收剂与10%的推进剂的透射率无限接近0。ADN 含量在20%～50%区间内，其透射率呈现小幅度的上升；在50%～80%区间内，透射率上升速度逐渐变快；超过80%的区间，其透射率上升速度出现下降且变缓。

图5 不同ADN 含量的推进剂的透射率Fig.5 Transmission ratios of propellants with different content of ADN

根据测得的不同液体推进剂的透射率结果，结合朗伯比尔定律［22］进一步计算出吸收系数，结果如图6所示。由图6 可以看出，ADN 含量在0～10%时，推进剂的吸收系数在70 cm-1左右；当ADN 含量达到20%时，推进剂的吸收系数大幅度下降，随后在20%～80%区间呈现出近线性下降的趋势；ADN 含量超过80%时部分吸收系数更是趋近于0。由于在激光烧蚀推进需要在工质层沉积足够的能量，而吸收系数在ADN 比例超过80%后过小，因此选择0～80%的比例区间进行研究与分析。

图6 推进剂吸收系数随ADN 含量的变化规律Fig.6 Variation law of absorption coefficient with ADN content in propellant

2.2 冲量分析

在激光能量60 mJ，液膜厚度300 μm 的工况下，不同比例ADN-丙酮基液体推进剂所产生的冲量随ADN 工质比例的变化趋势如图7 所示。由图7 可以看出，随着工质ADN 含量的上升，冲量大体呈现出先上升后下降再上升的变化趋势。

图7 不同激光能量下，冲量随ADN 含量的变化Fig.7 Variation of impulse with ADN content under different laser energy

结合推进剂的吸收系数变化趋势进一步分析冲量变化趋势：ADN 含量在0～20%区间时，吸收系数较大但冲量并不高，分析其主要原因可能是由于吸收剂的比例过高，吸收剂里的丙酮挥发较快，使得激光烧蚀的并非是液体推进剂而是基底容器。随着ADN 含量的上升，冲量于ADN 含量为30%处达到峰值点，该点为一个较好的ADN 工质和吸收剂的混合比例。该混合比例下的推进剂挥发较少，且能够沉积较多的激光能量，使得激光对推进剂产生烧蚀，进而产生较大的冲量。当ADN 的含量超过30%时，冲量呈现与吸收系数相似的近线性的下降趋势。因此，认为ADN 含量在30%～70%区间内，冲量下降的主要原因可能是由于ADN 含量的上升导致的液体推进剂的吸收系数下降，使得沉积在液体推进剂上的激光能量逐渐减小，烧蚀效果减弱，进而导致冲量不断减小。当ADN 含量达到80%时，冲量不再延续下降趋势，而是产生陡增，结合吸收系数变化趋势可以看出该点的吸收系数趋近于0，也就意味着激光能量基本不会沉积于液体推进剂上。因此，分析认为该点的大部分冲量也并非由激光烧蚀液体推进剂产生，而是大部分激光能量透过液体推进剂，作用于基底容器产生冲量。与ADN 含量在0～20%区间内的推进剂相比，ADN 含量为80%的推进剂里的ADN 含量高，不易挥发，进而形成一层液膜，构成“水炮靶”，因此ADN 含量为80%的推进剂产生的冲量远高于ADN 含量在0～20%区间内的推进剂。

在上述冲量结果分析的基础上，为进一步证明分析的合理性，在液膜厚度300 μm、激光能量60 mJ 的工况下，设置空白对照组，即在0～80%区间内，按照等差为10%的比例混合ADN 工质与丙酮（不添加红外染料），获得对照组的推进剂，进行对照试验，所得到的冲量结果如图8 所示。

图8 实验组（添加红外染料）与对照组（未加红外染料）的冲量变化Fig.8 Variation of impulse of experimental group（with infrared dye）and control group（without infrared dye）

对比2 组的冲量变化趋势，可以发现在ADN 含量在0～20%区间内，实验组（添加红外染料）的冲量略高于对照组；ADN 含量在30%～70%区间内，实验组冲量呈下降趋势，而对照组相反，呈现逐渐上升后平稳的变化趋势；ADN 含量在80%处，2 组的冲量近似。对照组的液体推进剂由于未添加红外染料，对激光的吸收率接近于0，因此其冲量上升的主要原因为ADN 含量的增加，使得液体推进剂挥发减少，形成液膜，当激光作用于基底容器时，构成“水炮靶”，进而冲量增加。

通过对比，可以认为实验组在ADN 含量为30%～70%区间内，冲量的下降确实是由于液体推进剂的吸收系数的下降而造成。同时实验组在ADN 含量为80%处的冲量与对照组冲量平稳区间大致相同，因此从冲量角度来看，实验组在ADN 含量为80%处的冲量陡增主要是由“水炮靶”造成的。

对实验后的容器底部的表面利用共聚焦显微镜进行观察，如图9 示，图9a、图9b 分别为实验组激光烧蚀ADN 含量为80%和30%的推进剂后的容器表面形貌。对比观察可以发现，图9a 中可以观察到明显的金属烧蚀坑，表面十分粗糙，与激光直接作用于铝靶材的形貌十分相似，直径约800 μm，深度约20 μm；而图9b 中的烧蚀坑没有明显的金属烧蚀痕迹，且依旧保持金属光泽，金属凹坑的直径约700 μm，深度约40 μm。此外，还可以明显看出金属凹坑的轮廓线近似抛物线，十分平缓，认为这是由于推进剂在与激光能量相互耦合时，所产生的力作用于容器的金属表面，金属受力凹陷同时对部分推进剂产生反作用力，从而产生大量液滴的飞溅现象。

图9 80%与30%ADN 下容器烧蚀形貌Fig.9 Ablation morphology of the vessel under 80% and 30% ADN

综合上述的冲量大小与容器烧蚀形貌表征，可以判断出80%ADN-丙酮基液体推进剂的冲量变大的主要原因是推进剂与基底容器构成“水炮靶”，激光能量主要沉积在基底容器上，对容器进行烧蚀，而液体推进剂仅起到了约束作用。

3 结论

（1）不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂，其吸收系数随着ADN 比例的增加大体呈现下降趋势。当ADN 含量在0～10%时，吸收系数保持在70 cm-1左右；当ADN 含量在20%～80%时，吸收系数呈现近似线性的下降趋势，且在20%处下降幅度较大；当ADN含量超过80%时，吸收系数趋近于0。

（2）激光烧蚀不同比例的ADN-丙酮基液体推进剂时，所产生的冲量大体呈现先上升后下降再上升的变化趋势。当ADN 含量低于30%时，液体推进剂由于吸收剂过多，挥发较快，冲量较小；当ADN 含量在30%～70%时，液体推进剂的吸收系数逐渐下降，冲量也逐渐下降；当ADN 含量达到80%时，液体推进剂与基底容器构成“水炮靶”，进而冲量大幅度增加。

（3）通过与未添加红外染料的对照组的冲量对比和容器烧蚀形貌的观察，发现ADN 含量为80%的推进剂的冲量与对照组近似，且产生的烧蚀坑形貌粗糙，轮廓不规则，与ADN 含量为30%的推进剂产生的近似抛物线的光滑凹坑完全不同。