光控燃烧固体推进剂设计及燃烧机理研究(2)
5.1 结论 30
5.2 展望 30
致 谢 32
参考文献 33
1 绪论
传统推进技术主要利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术。化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发射基地和地面测控系统等配套设施健全[ ]。但由于目前使用的传统化学推进系统比冲偏小(＜500s)，受燃料中氧化剂的分子质量大和自然燃烧火焰温度的限制(最高温度只有4000k～5000k)，此外还存在以下缺陷：
（1）可靠性不高，飞行可靠度小于0.99；（2）价格昂贵，运输费用高，低轨道单位质量有效载荷约11000美元•kg-1～22000美元•kg-1，高轨道时为60000美元•kg-1；
（3）不易操作，发射准备周期长；
（4）许多主力火箭使用有毒、有污染的推进剂[ ]。
因此，激光推进在航天方面的应用成为了当今及未来研究的重点。激光推进可产生10,000―20,000K的高温，推进剂分子量小，比推力可达20，000N•s/kg。由于激光推进可依靠陆基或空基激光器远距离传输能量，从而可增加航空器有效载荷。此外，激光推进技术还具有低发射费用、高比冲、污染小等独特优势。
目前，激光推进还只限于理论和实验室研究阶段，激光功率还达不到将小卫星从地面发射至空间轨道，并且要实现激光发射小卫星还有许多关键技术问题需要解决，其中激光与推进剂的相互作用及能量转换关系是亟需解决的问题，本文进行的激光辐射下固体推进剂的配方设计及燃烧性能测试就是在此背景下从事的基础研究，通过研究激光对推进剂燃烧性能的促进及控制作用，增加人们对激光与推进剂相互作用及能量转换关系的认识，从而为烧蚀模式的激光推进提供技术保障以及发展激光控制推进剂燃烧的技术，同时对揭示固体推进剂燃烧机理也有帮助。
1.1 激光推进技术概述
随着航天技术的飞速发展和激光输出功率的不断提高，激光推进技术呈现出了广阔的发展前景，日益受到人们重视。
激光推进的基本原理是将远距离激光能量导入推进器（thruster）中的推进剂中，使其温度急剧升高，形成高温高压气体或等离子体，然后从喷管（nozzle）中喷射出来，从而产生推力[ ]。图1所示是日本九州工业大学Kakami等人设计的激光推进器原理示意图，利用激光二极管作为激光源产生激光束，通过激光器的窗口入射到不能自持燃烧的固体推进剂表面而使药剂被点燃，切断激光源时药剂熄灭来控制药剂燃烧的[ ]。衡量激光推进的两个主要指标是比冲(Isp)和耦合系数(Cm)，比冲定义为烧蚀单位重量的工质产生的冲量；耦合系数定义为单位能量的光能产生的冲量。因此，光控燃烧固体推进剂的工质决定了性能，也影响了激光推进的效果。
图1.1 推进器设计原理图[4]
激光推进即利用高能激光束与工作物质相互作用产生的向后喷射的等离子体而形成推力，使得光船向前飞行。20世纪80年代主要是开展相关基础理论与试验研究，进入90年代后开始进行激光推进演示试验研究。
国内关于激光推进的研究开展的较晚，一些高等学校和科研院所如中国科学技术大学、装备指挥技术学院、哈尔滨工业大学、中科院物理研究所等也开始了这方面的研究工作，并已取得了一些突破性进展。从九十年代开始进行高能激光与固体靶之间的作用关系的研究。中国科技大学用单次脉冲激光把一个重5.87g的铝弹丸发射到1.48m的高度[ ]，并首次近距离比较清晰的拍摄到激光诱发的等离子体喷射时产生的火光烟柱以及子弹飞行的照片，算出该子弹飞行初速度为5.39ms-1。华中理工大学进行过高能激光与固体靶作用。哈尔滨工业大学在激光打靶产生等离子体方面进行了研究，为激光推进技术研究奠定了很好的基础[ ]。
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