以微小卫星姿轨控为任务的激光微推力器是近些年激光推进技术应用研究的热点。在激光微推力发动机热力循环分析的基础上，研究影响激光微推进热力循环效率的因素，提出了通过改变激光功率密度和靶材掺杂特性来同时提高比冲和冲量耦合系数的方法，实验验证了激光功率密度和靶材掺杂对发动机性能影响的规律。结果表明，激光与靶材的特性共同决定了热力循环效率的高低，激光功率密度的提高能够增加产生激波波后的压力，一定程度上提高比冲，却会使冲量耦合系数下降；掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收，使比冲和冲量耦合系数都提高，而两者都能够一定程度上提高激光微推力发动机的热力循环效率。

通过冲击摆实验,测量了激光推力器在不同气体工质(氩气,氦气)、不同工作压力条件下的冲量耦合系数,比较了不同气体对激光推力器冲量耦合系数的影响.实验结果表明:冲量耦合系数随着环境压力的下降而下降,并且下降趋势越来越快;在氩气中测量的冲量耦合系数比氦气的高;实验产生误差的主要因素是摆角的测量误差.

利用高频响应材料PVDF作为敏感元件,建立了一套单脉冲瞬态推力测试系统,并用φ37 mm分离式Hopkinson压杆装置对该测试系统进行动态标定.标定结果显示,在0～150 Mpa范围内,PVDF传感器(5 mm×5 mm)的压电特性呈线性,动态压电系数经线性拟合后为20 pC/N.用所建推力测试系统获得了单脉冲激光作用下,旋转抛物形激光推力器的推力加载曲线,并对该曲线形成多个峰值的原因进行了分析.实验结果表明,该系统可以捕获激光推力器脉冲推力加载特征.

基于激光推力器喷管热烧蚀因素分析,初步提出了反射式和吸收式两种喷管热防护方法,并相应设计了两种喷管.以10 kW级脉冲式CO2激光器为光源,三次反射激光推力器为对象,进行了两种方式下两种喷管的热防护初步实验研究.结果表明:两种喷管均发生不同程度烧蚀,与相对聚焦位置和激光作用时间有关;反射式热防护通过喷管光学表面对透射激光能量进行二次聚焦,以及良好的循环冷却,可能成为将来激光推力器喷管热防护的备选方案之一.

喷管是激光推力器的重要组成部分.在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计.针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型.通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系.通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因.研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形.

激光推力器性能优化是激光推力器研究的重要组成部分。受硬件条件的限制,激光推进领域激光脉冲时间波形对推力器性能影响的研究并未广泛展开。以两台CO2激光器的实际脉冲波形为基准,建立了两组激光能量输入模型,其波形时间分布相似,单脉冲能量相同,但脉冲持续时间及峰值功率不同。数值计算比较了不同脉冲波形下抛物型激光推力器的性能,结果表明：峰值功率和脉冲持续时间是影响推力器性能的重要参数,高功率短持续时间的脉冲波形更有利于提高冲量耦合系数和推力；两种实际脉冲波形的冲量耦合系数数值计算结果分别为40.9×10-5 N·s/J,30.0×10-5 N·s/J,与文献报道实验测量结果基本吻合。为激光推进CO2激光器的脉冲波形设计提供支持及研究思路,具有一定参考价值。

在喷管与聚光系统一体化设计时,聚光系统因其同时承担聚光和喷管两项功能而成为激光推力器的重要组成部分。通过改变聚光系统内表面的母线方程,可以改变点火区的大小、形状、点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数,而这些参数都会对激光推力器的推进性能产生影响。针对不同的聚光系统构形建立了相应的点火模型,数值计算与实验结果一致,即当注入能量不超过60 J时,在喷管出口直径相同的条件下,抛物形喷管点聚焦方式比环聚焦方式所获得的冲量耦合系数大,可达38.84×10-5 N·s/J;而冲量耦合系数对点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数并不十分敏感。研究结果对于吸气式激光推力器的喷管构形设计具有指导意义。