第1章概述
1.1研究背景
微小卫星是微电子、微机械、新材料、计算机等领域高新技术和空间探索任务发展的产物，具有质量轻、体积小、研制周期短、功能密度大、发射灵活、成本低、组网快和生存能力强等优势。民用方面，微小卫星在空间通信与导航、高分辨率对地遥感、科学研究与技术验证、深空探测、高校培训等领域发挥着重要作用；军用方面，微小卫星对突发事件处理、空间控制与力量运用、信息化条件下的联合作战等方面产生了重要影响。随着微小卫星技术的进一步发展，它将在军民用方面发挥越来越重要的作用[1-4]。
微小卫星、微小卫星星座的轨道或姿态很容易在多种干扰下变得不稳定，进而无法充分发挥其作用或者发挥作用时间很短。同时，为了完成特定的任务，如主动离轨、避撞，微小卫星还需要具备一定的轨道机动能力。因此，必须为微小卫星配备特定的推进系统。根据微小卫星的特点和任务需求，对其配备的推进系统提出了以下特殊要求[5-8]。
(1)质量小、体积小、功耗小。由于微小卫星本身的质量和尺寸较小，因此对推进系统的质量、尺寸和功耗提出了严格的要求，以便为微小卫星留出足够的资源给其他有效载荷。
(2)*小元冲量小。微小卫星星座高精度姿轨控所需的*小元冲量很小，其值可低至亚微牛秒量级。
(3)比冲高。比冲高能使推进系统在有限的工质质量下，产生较高的总冲量，以提高推进系统所能完成的任务量。
(4)电磁干扰小。由于微小卫星的紧凑性，它们的所有子系统安装较为紧凑，由推进系统引起的任何静电或电磁干扰，都可能对机载电子设备造成影响甚至损害，进而阻碍任务的进行或完成。
(5)成本低。微小卫星极具吸引力的优势之一在于其研发成本和发射成本低，这对其携带的推进系统的成本也提出了严格的要求。
(6)安全性高。目前的微小卫星大多是作为大型卫星的搭载卫星进行发射，因此大型卫星的发射方对其搭载的微小卫星的安全性提出了较高的要求。
传统的化学推进很难满足上述各项要求，因此必须寻求其他推进方式为微小卫星提供动力。固体烧蚀型脉冲等离子体推力器(ablative pulsed plasma thruster，APPT)作为**种成功应用于空间飞行的电推力器，其工作过程如下：火花塞点火使暴露在两电极之间的工质表面诱导出高温放电电弧，工质烧蚀并产生等离子体；等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下喷出，从而产生推力[9]。APPT具有系统简洁、易于小型化、成本低、比冲较高和元冲量精确可控等优势，非常适合作为微小卫星的星载微推进系统。目前已有二十多种型号的APPT成功实现了空间应用[8，10-13]。但是，从空间应用的APPT性能来看，其推进效率都不高，这是因为阴阳极板之间诱导的高温放电电弧直接与固体工质相互作用，使得放电末期的放电能量较低时，仍然有较多的工质被烧蚀出来而没有被有效电磁加速，即滞后烧蚀[14-16]，这部分工质以较低的速度喷出，从而限制推进效率的提高。此外，APPT还存在火花塞点火积碳和羽流污染问题[17]。
随着激光技术的发展，Kantrowitz[18]提出将激光技术用于航天推进领域，激光推进由此诞生。虽然激光推进的研究进展显著，但是用地基激光直接进行航天发射、轨道转移、轨道碎片清除等应用还有一些关键技术需要解决[19-22]。基于激光推进的现实应用考虑，以及激光器向着体积小、质量小、功率大的方向发展，Phipps[23，24]于1993年提出将激光器搭载在航天器上用于空间微推进的设想，并于2000年[25]提出激光等离子体微推力器(micro-laser plasma thruster，μLPT)的概念。μLPT是利用聚焦后的激光烧蚀工质表面，产生微小喷射物进而产生推力的微推力器，具有质量轻、可靠性高、结构简单、推力可调等优势。但是，μLPT的一些推进性能，如推力、比冲等还有待进一步提高。
为了提高传统电推进和激光推进系统的推进性能并简化系统构成，有学者提出激光支持脉冲等离子体推力器(laser-assisted pulsed plasma thruster，LAPPT)的概念[26]。虽然LAPPT使用激光点火代替火花塞点火的新思想，但是仍然存在一些有待提高之处。*先，工质暴露在放电通道中，“滞后烧蚀”现象仍然存在，因此会限制推进效率的提高[7]，同时使工质的单脉冲烧蚀质量不可控。其次，使用的工质必须是电绝缘材料，这限制了工质的可选择范围。基于对APPT和LAPPT的分析，张代贤[17]对LAPPT进行了改进，即利用陶瓷管将工质和放电通道隔离开。由于改进后的LAPPT利用陶瓷管将工质和放电通道隔离开，使放电电弧不能对工质进行烧蚀，因此有望抑制“滞后烧蚀”现象。同时，这也使导电材料可以作为工质的候选材料，从而使其可以像激光推进那样使用任意凝聚体作为工质[27]。
因此，LAPPT将有可能解决APPT存在的推进效率低和火花塞点火积碳等问题，同时具有推进效率高、比冲高、工质可选择范围广、元冲量精确可控和推力可调整性高等优点，有望为微小卫星的轨道机动、姿态控制和编队飞行等提供精准推力。
虽然LAPPT推进性能的优越性得到了实验的验证，但是LAPPT在较短的时间和较小的空间内存在激光烧蚀工质、激光等离子体羽流膨胀、激光等离子体诱导放电，以及等离子体电离与加速之间的强烈耦合关系，光、电、磁、热的相互影响在时空上叠加，给研制LAPPT增添了难度。因此，目前对LAPPT工作过程和工作机理的认识还不够系统、深入，不利于LAPPT推进性能的进一步提升，同时阻碍LAPPT工程化应用进程。
本书以LAPPT的工作过程和工作机理研究为主要内容，针对LAPPT固体工质瞬态激光烧蚀、烧蚀等离子体能量沉积与屏蔽、羽流运动与组分演化等过程开展系统的数值模拟研究。
1.2激光-电磁复合推进系统研究概况
Kawakami等[26]和Horisawa等[28-43]提出激光-电磁复合推进的概念。激光-电磁复合推进系统采用激光辐照工质产生等离子体的同时，又采用静电场、电磁场加速等离子体的方法，可以获得更高的比冲。激光-电磁复合推进所能衍生出的推力器种类很多。根据推力器自身储能和激光能量这两者对能量贡献的大小，可将激光-电磁复合推进系统划分为纯电推进(其激光能量为0)、激光支持的电推进(其储能元件释放能量占优)、纯激光推进(其储能元件释放能量为0)、电磁辅助的激光推进(其激光能量占优)。另外，根据电极布置、等离子体密度，以及输入电功率等因素的不同，可以按照等离子体加速机制将激光-电磁复合推进系统分为三种类型，即静电场加速型、电磁场加速型、电热加速型。电热加速是利用电流将等离子体加热膨胀而加速，在这个过程中伴随有电磁加速。Kawakami等[26]和Horisawa等[28-43]对这些多种类型的激光-电磁复合推进系统分别开展了相关基础研究工作。
如图1-1(a)所示，激光-静电场耦合加速是指采用激光聚焦在固体工质或推进剂上，然后利用静电场对激光烧蚀产物进一步加速。在激光烧蚀过程中，电子、离子由工质表面脱离，并被静电场进一步加速，理论上可获得较高比冲。
Horisawa等[33，34，36，39，40，44，45]对激光-静电场耦合加速推力器的研究结果表明，对加速电极施加相反的电压所产生的加速性能是不同的，采用正偏压比采用负偏压更能有效提高激光等离子体或由库仑爆炸产生的正离子的加速性能。纯激光烧蚀模式下，离子平均速度为17km/s，此时单脉冲能量为40μJ/pulse，脉冲宽度为250ps。当加速偏压为+100V，推力为2.9μN，比冲为1800s时，所达到的离子速度为25km/s。Horisawa研究了极板长度和极板间距对平行极板型激光辅助脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster，PPT)推进性能的影响。
如图1-1(b)所示，激光-电磁场耦合加速系统可称为激光支持脉冲等离子体推力器(laser assisted pulsed plasma thruster，LAPPT)。其基本原理是，*先，激光烧蚀固体工质产生初始等离子体；然后，利用电弧放电进一步电离烧蚀产物，从而在等离子体运动区域形成放电通道；*后，在放电通道中产生的自洽磁场的作用下，由洛伦兹力加速粒子，*终形成推力。
图1-1激光-电磁复合加速系统
Horisawa等[26，28，30，38-40，46，47]研究了LAPPT的放电和电磁加速特性。按照极板和放电通道的几何构型，LAPPT分为平行极板型和同轴型(图1-1(b))。研究表明，元冲量随比冲线性增加，然而冲量耦合系数随能量增加而减小，其*大值为20.8μN s/J。在8.65J工况下，元冲量为38.1μN s，比冲为3791s，系统推进效率为8%，冲量耦合系数为4.3μN s/J；在较大的放电通道体积下，推力器的推进性能更高。研究结果证实了LAPPT的高性能与可行性。然而，他们仅研究了推力器的推进性能和放电特性。在LAPPT基础研究方面，尚有以下方面需要探索：
(1)激光等离子体喷射之后，工质表面大粒子喷射的产生机理，以及减少烧蚀产物中大颗粒物质和中性气体的方法。
(2)极板构型、外加磁场等对激光等离子体的产生及运动的作用规律。
(3)激光烧蚀产物在放电通道中的电离与加速机理。
1.3LAPPT数值仿真研究进展
作为激光烧蚀过程和电磁加速过程的结合体，LAPPT的数值模型不但需要表征这两个过程，而且需要构建烧蚀产物与放电入口之间的物理边界条件。当前，尚无面向LAPPT整个物理过程的数值模型，研究者们针对单一的激光烧蚀或者单一的电磁加速过程开展了系统研究。
1.3.1激光与固体靶材的相互作用
图1-2给出了激光与固体靶材相互作用的原理图。当激光辐射固体靶材时，激光能量被不透明的靶材吸收，靶材表面下的一个薄层被加热，促使表面温度持续升高。与此同时，能量向靶材的内部传导，使加热层的厚度不断增加。随着深度的增加，温度梯度会越来越小，导致热传导引起的热传播速度随时间而减小。因此，热传导通常只会渗透到靶材表面层一个很薄的厚度，这个深度通常称为渗透深度[48-53]。
图1-2激光与固体靶材相互作用的原理图
由于激光渗透到靶材内部的能量较少，绝大部分激光能量沉积在靶材的表面，这将导致靶材表面与其附近区域的温度持续上升。当激光能量密度足够高时，靶材内部的电子被激光光子激发，通过碰撞使靶材的粒子热运动不断加剧。当其具有足够多的动能时，将摆脱周围粒子对其的束缚，产生熔化、气化和升华等物理过程，以及相应的质量迁移，进而导致靶材烧蚀表面退缩[48-52]。这种激光辐射材料表面导致的质量迁移、消蚀或散失等现象称为激光烧蚀[54-56]。当激光能量密度较大时，汽化的粒子温度很高，其被激发和电离，进而在靶材表面附近形成等离子体羽流[53]。
根据激光与靶材之间相互作用的原理分析，影响激光烧蚀靶材的因素可分为三类。其一是激光本身的参数，如激光波长、激光器类型、脉宽持续时间和激光功率等。其二是激光光路设计，这将影响激光的热通量密度和传播速度。其三是靶材本身的物化属性，如吸收系数、反射率、导热系数和烧蚀阈值等参数。改变这三类影响因素的数值，可定向调控靶材的烧蚀深度、激光能量沉积区域，以及热影响区的大小，进而实现不同的工程应用[53]。基于激光与材料相互作用的工程应用如表1-1所示。
通常来说，熔化、气化和喷溅是造成金属材料被烧蚀的主要因素，而非金属材料除了这三种因素之外，升华、化学反应和焦化等因素也会导致烧蚀表面退缩[55，57-62]。根据靶材被烧蚀主导机制的不同，可将激光与靶材的相互作用机制分为三类，即光热机制、光化学机制和光物理机制[54，57]。对于光热机制而言，激光能量不足以让靶材分子
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