CN101737201A - 激光推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光推进装置。该装置包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室；其中所述激光器用于产生激光；所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上；所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述推进剂基本上转换为等离子体；所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传送给光船。该装置能够避免激光烧蚀固体推进剂时伴随的热传导以及材料溅射造成的推进剂损失，因此能够提高激光推进的实际比冲。
Description
技术领域
本发明涉及激光推进领域，特别涉及一种激光推进装置。
背景技术
激光推进是上世纪70年代由美国学者Kantrowitz提出的一种新概念推进技术，其基本原理是使用强激光来辐照烧蚀火箭尾部的推进剂，产生远远超越燃烧温度的等离子体，高温高压的激光等离子体以极高的速度喷射，产生强大的反冲作用，从而推动火箭前进。在该领域中，比冲(产生单位冲量所消耗的推进剂的质量，工程学中，为了方便起见，常在比冲的国际单位N·s/kg的分母上乘以重力加速度g，所以比冲的单位通常为秒)是衡量激光推进的燃料利用率的最重要的技术指标。由于激光等离子体推进理论上能产生比传统的化学燃料火箭高几十倍的比冲，同时还具有低成本、环保、安全等特点，因此得到研究人员的广泛关注。然而，以往的实验研究通常采用激光脉冲直接辐照固体推进剂产生高速的等离子体喷流，其存在的问题是由于固体推进剂存在热传导作用，因此在该作用下一部分固体推进剂被汽化或溅射以非常低的速度脱离了固体推进剂的表面，造成一部分质量损失，所获得的比冲比理论值小很多。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，通过激光脉冲辐照推进剂使其基本上转换为等离子体，从而提供一种实现高比冲激光推进的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种激光推进装置，包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室；其中
所述激光器用于产生激光；
所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上；
所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述推进剂基本上转换为等离子体；
所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传送给光船。
根据本发明的第二个方面，其中所述推进剂为薄膜推进剂或轻制泡沫材料推进剂，其厚度小于或等于激光脉冲的烧蚀深度。
根据本发明的第三个方面，其中所述推进剂为固体颗粒或团簇推进剂。
根据本发明的第四个方面，其中所述薄膜推进剂或轻制泡沫材料推进剂采用的推进剂供给装置为带式或盘式传送装置。
根据本发明的第五个方面，其中所述固体颗粒或团簇推进剂采用的推进剂供给装置为喷嘴，所述喷嘴的喷射频率同步于激光脉冲的频率。
根据本发明的第六个方面，其中所述激光聚焦设备和燃烧室可以为一体化的。
本发明采用的薄膜推进剂、轻制泡沫材料推进剂、固体颗粒或团簇推进剂的面密度均比较低，这里所说的面密度是物质的体密度乘它的厚度(物体单位面积所含有的物质的容量)，也就是说同一种材料，厚度越小，面密度越低。而这个面密度是和物体的烧蚀深度直接相关联的，物质的面密度越低，材料被烧蚀的越充分，热传导和溅射的影响越小。
与现有激光推进装置相比，本发明的激光推进装置能够避免激光烧蚀固体推进剂时伴随的热传导以及材料溅射造成的推进剂损失，因此能够大幅度提高激光推进的实际比冲，延长光船在太空飞行的寿命。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明采用薄膜推进剂的一个实施例的激光推进装置示意图；
图2是根据本发明采用薄膜推进剂的另一个实施例的激光推进装置示意图；
图3是根据本发明采用固体颗粒或团簇推进剂的一个实施例的激光推进装置示意图；
图4a和图4b分别是用于验证本发明效果的实验原理图和实物图；
图5是根据本发明采用盘式传送装置的一个实施例的激光推进装置示意图。
具体实施方式
实施例1：
图1是根据本发明采用薄膜推进剂的一个实施例的激光推进装置示意图，该装置包括脉冲激光器101，抛面镜102，燃烧室106和带式传送装置107；其中所述带式传送装置用于不间断地提供薄膜推进剂103，所述薄膜推进剂位于抛面镜102顶端的开口中，并位于抛面镜102的焦点处，使得所述抛面镜能够将激光聚焦到该薄膜推进剂上。优选地，薄膜推进剂的厚度小于或等于激光脉冲的烧蚀深度，使激光可以完全穿过，以便当激光辐照其上时该薄膜推进剂基本上被完全烧蚀；另外薄膜推进剂厚度小、横向热传导也比较低，这样在激光照射区域薄膜推进剂不会由于热扩散造成质量损失。在本发明中，所述薄膜推进剂可以是1～3μm的CH膜，也可以是厚度≤1μm的金属膜，例如Al膜。
如图1所示，由脉冲激光器101输出的高功率激光脉冲经过抛面镜102聚焦到薄膜推进剂103上，在激光辐照下薄膜推进剂103转换为等离子体。产生的一部分等离子体104向光船外喷出，而另一部分反向运动的等离子体105冲击进入燃烧室106。这样根据动量守恒定律通过碰撞等离子体基本上可以将其携带的动量转移给光船。
对于本领域的技术人员应该理解，本发明中的激光器既可以搭载在光船上，也可以从地面或空间站向光船发射激光；所述抛面镜仅为示例性的，其它能够会聚激光的元件或设备也可以使用；所述抛面镜的开口大小不仅和光船的体积相匹配，而且也应大于激光光束的直径。此外，在本发明中，穿透薄膜推进剂的激光能量不足以引起对燃烧室的烧蚀，并且等离子体在与燃烧室壁面相遇时温度和密度已经下降至不足以对燃烧室结构造成损伤的程度
实施例2：
图3是根据本发明采用固体颗粒或团簇推进剂的一个实施例的激光推进装置示意图。与实施例1的激光推进装置不同的是，本实施例采用固体微粒或团簇推进剂303代替薄膜推进剂103，并且采用喷嘴307代替带式传送装置107。如图3所示，固体颗粒或者团簇推进剂303利用喷嘴307喷出。在该装置工作过程中，由于固体微粒或团簇面密度低、对激光的吸收效率高，不会形成临界密度面，也不会阻挡激光烧蚀，并且颗粒间距离较大，因此不会由于热扩散造成能量损耗，从而使固体微粒或团簇推进剂基本上转化为等离子体，进而获得较高的比冲。另外，喷嘴307的喷射频率应同步于激光脉冲的频率，以保证在激光到达时，推进剂303处于激光的焦点上。
实施例3：
图5是根据本发明采用盘式传送装置的一个实施例的激光推进装置示意图。与实施例1的激光推进装置不同的是，本实施例采用轻质泡沫材料推进剂(未示出)代替薄膜推进剂103，并且采用盘式传送装置501代替带式传送装置107。所述轻质泡沫材料推进剂的厚度小于或等于激光的烧蚀深度。在该装置工作过程中，盘式传送装置501不断输送轻质泡沫材料推进剂至开口处，并且当激光照射到该推进剂时其基本上完全被烧蚀，并转化为等离子体推动光船。在本发明中，所述轻质泡沫材料推进剂可以是市场上常见的主要成分为聚苯乙烯的泡沫材料。另外，所述轻质泡沫材料推进剂既可以采用盘式传送装置也可以采用图1所示的带式传送装置作为其推进剂供给装置，同样，上述两种传送装置也适用于薄膜推进剂的情况。
实施例4：
图2是根据本发明采用薄膜推进剂的另一个实施例的激光推进装置示意图。和实施例1相比，本实施例的抛面镜和燃烧室为一体化设计。如图2所示，在抛面镜202内具有一固定装置，例如金属薄片，在所述金属薄片中央开有一小孔或缝隙，使得位于该小孔或缝隙中的薄膜推进剂203处于所述抛面镜的焦点处；所述薄膜推进剂可以采用实施例1中的传送装置方式所提供。在该装置工作过程中，由激光器201输出的高功率激光脉冲经过抛面镜202聚焦到薄膜推进剂203上，产生的一部分等离子体204向光船外喷出，另一部分反向运动的等离子体205通过冲击抛面镜202达到推进光船的目的。
采用这种抛面镜和燃烧室的一体化设计不仅使光船结构更加稳固，也减轻了光船重量，提高了安全性。此外，这种一体化设计也并不只针对采用薄膜推进剂的激光推进装置，对于轻质泡沫材料推进剂和固体颗粒或者团簇推进剂也同样适用。
为了验证本发明的效果，对本发明的激光推进装置进行了简单的原理性实验验证。
参见图4a和图4b，高功率激光脉冲401聚焦到3μm厚的聚酰亚胺薄膜402上，该薄膜瞬间被烧蚀成等离子体，一部分等离子体403穿过小孔404喷射到单摆405的表面上。根据单摆的摆动角度，推算出这部分等离子体403的动量；烧蚀的聚酰亚胺薄膜402的质量可以由其体积和密度计算出来，这样即可计算出比冲值。其结果是在聚焦光斑的直径为0.3mm时，比冲为1520s。我们还采用激光等离子体相互作用的大型流体力学模拟程序Med103对实验进行了数值模拟计算，得到了与上述实验相符合的结果。另外，如果降低小孔和聚焦光斑的直径，并保持二者相同，可以进一步提高比冲值。模拟程序计算出当光斑直径为0.1mm的时候，比冲可高达7237s。上述结果均说明了采用本发明装置带来的有益效果。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (7)
1.一种激光推进装置，包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室；其中
所述激光器用于产生激光；
所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上；
所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述推进剂基本上转换为等离子体；
所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传送给光船。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述推进剂为薄膜推进剂或轻制泡沫材料推进剂，其厚度小于或等于激光脉冲的烧蚀深度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述推进剂为固体颗粒或团簇推进剂。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述薄膜推进剂或轻制泡沫材料推进剂采用的推进剂供给装置为带式或盘式传送装置。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述固体颗粒或团簇推进剂采用的推进剂供给装置为喷嘴，所述喷嘴的喷射频率同步于激光脉冲的频率。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光聚焦设备和燃烧室为一体化的。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室位于所述激光聚焦设备的外部。
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