CN102022299B - 激光微推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光微推力器。该激光微推力器，包括旋转体抛物面反射镜(2)、环形反射镜(3)、带狭缝的喷管(10)、防光学镜面污染的快门(8)、防污染透明玻璃圈(9)。旋转体抛物面反射镜(2)、环形反射镜(3)和带狭缝的喷管(10)三部件的对称轴与激光微推力器中心轴线重合。本发明减少了反射式激光推力器的光学器件污染，可有效提高比冲，而且每脉冲烧蚀的工质质量以及推力器的冲量大小都可以精确控制，阻燃薄膜可以被激光烧蚀掉，也可用于产生部分推力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于卫星、探测器等空间飞行器的推进系统。尤其是一种利用激光能量烧蚀工质产生高速等离子体射流的激光微推进装置。
背景技术
激光微推力器具有比冲高、冲量范围宽和最小冲量比特小等优点，可以满足卫星精确姿态控制及轨道机动要求。激光微推力器一般包括固体激光器，用于烧蚀的固体或液体工质，光学聚焦系统及其他控制执行机构。按照激光与工质相互作用方式可以分为透射模式和反射模式。
透射模式激光微推力器采用的工质为固体双层结构。上层是烧蚀材料，用于产生推力；下层是透明基底，用于承载烧蚀材料。固体激光器产生的激光经过透镜并穿过下层基底后聚焦于上层烧蚀材料。烧蚀材料吸收激光能量后产生等离子体射流，射流沿上层表面垂直的方向喷射出去从而产生推力。透明基底将烧蚀材料与透镜分隔开来，这样就不存在透镜被喷射物质污染的问题。但是，透明基底限制了聚焦点光强的提高，而比冲与焦点处光强大小相关，这使透射模式激光微推力器的比冲不会很高。并且，透明基底占一定质量，而对冲量没有贡献，所以对推力器的比冲有负面影响。
反射模式激光微推力器的烧蚀材料与透镜处于同一侧，激光通过透镜后斜射在工质表面。反射模式下，焦点光斑的光强较透射模式有大幅提高，从而等离子体喷射速度和推力器的比冲也得到较大的提高。反射模式激光微推力器的比冲虽然得到提高，但它也有缺点。首先，反射模式激光微推力器的光学镜面会遭到污染。虽然在短脉冲激光作用下，等离子体射流方向大致垂直于材料表面，与激光入射方向相关性不是很大，但仍然会有少量散射的粒子溅射到光学镜面，经过长时间的累积后镜面将会遭到污染而失效。其次，与透射模式激光微推力器类似，也存在基底材料浪费问题。反射模式激光微推力器的工质供给方式一般是将推进剂薄层黏附在基底上做成带状，基底和推进剂薄层做成的带子由步进电机带动慢慢移动，这样每个激光脉冲都聚焦在推进剂薄层上，带子上同一个点不会经历两个脉冲。脉冲激光直接聚焦到推进剂薄层上烧蚀推进剂产生推力，基底材料不参与烧蚀，从而对产生推力没有贡献。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对反射模式激光微推力器存在的光学污染及基底材料浪费问题，为空间飞行器提供一种对光学镜面无污染、工质供给方式简单、比冲和总冲高、工作寿命长、结构紧凑、安全可靠的反射模式激光微推力器。
本发明的技术方案是：所述激光微推力器包括激光器及光束变换装置1、旋转体抛物面反射镜2、环形反射镜3、带狭缝喷管10、快门8、透明玻璃圈9。旋转体抛物面反射镜2、环形反射镜3和带狭缝的喷管10三部件的对称轴与激光微推力器中心轴线重合。经激光器及光束变换装置1射出的激光束的光轴与激光微推力器中心轴线重合。旋转体抛物面反射镜2位于激光器及光束变换装置1之后。带狭缝喷管10位于旋转体抛物面反射镜2之后。环形反射镜3位于带狭缝喷管10的尾部的外侧，通过环形反射镜3的反射，激光束通过喷管的狭缝汇聚在喷管顶部的工质上。在带狭缝喷管10的狭缝之间设置有快门8，在环形反射镜3到带狭缝喷管的狭缝之间的光路上设置有透明玻璃圈9。
工质供应装置位于带狭缝喷管10与旋转体抛物面反射镜2之间。工质供应装置包括弹簧预紧机构6、弹簧5、工质烧蚀管道7，弹簧预紧机构6位于弹簧5之后，工质烧蚀管道7位于弹簧预紧机构6之后，工质烧蚀管道7位于带狭缝喷管10的前部。
工质送料机构4位于工质供应装置中弹簧5的侧面。工质送料机构4的尾部安装有复位弹簧片13。
激光器及光束变换装置1产生激光脉冲并对激光进行扩束整形。扩束整形后的激光经过旋转体抛物面反射镜2的反射后形成汇聚激光束，该光束将汇聚于一条环线上。激光束在汇聚成一条环线之前遇到环形反射镜3，激光束变为点聚焦光束。激光束经环形反射镜3反射后，透过防污染透明玻璃圈9并穿过带狭缝喷管10上的狭缝后进入喷管。进入喷管的激光束聚焦于工质烧蚀管道7末端的工质端面上。被激光照射的工质在瞬间被加热并形成高速等离子体射流，由射流喷射的反冲作用产生推力。
为防止环形反射镜3遭到污染，采取了两条措施。第一，在喷管狭缝上装有快门8，快门8在脉冲激光入射的瞬间开启，在脉冲激光结束后关闭。快门8可以有效阻止速度慢的大粒子团从狭缝中喷出而污染光学镜面。第二，在激光光路上装有防污染透明玻璃圈9，可以拦截高速粒子对光学镜面的冲刷。因为防污染透明玻璃圈9宽度很小，当其被高速粒子破坏后可进行更换。
激光烧蚀的工质为圆柱形药柱，药柱由含能工质12和阻燃薄膜11一层层交替叠加而成。当激光烧蚀掉一层含能工质后，阻燃薄膜会阻止下一层含能工质被点燃。当下一个激光脉冲到来时，可烧蚀掉阻燃薄膜的一部分或全部被烧蚀掉，这样又可烧蚀下一层含能工质。
工质送料机构4用来将圆柱形药柱送入工质烧蚀管道7之中。在工质送料机构4的尾部安装有复位弹簧片13。当用力挤出一个药柱后，复位弹簧片13可防止下一个药柱也进入工质烧蚀管道7。
圆柱形药柱进入工质烧蚀管道7后由弹簧5将其推至工质烧蚀管道7的烧蚀端口。当一个药柱烧蚀完后，弹簧预紧机构6将弹簧5压缩预紧，腾出空间以便下个药柱能顺利进入工质烧蚀管道7。
带狭缝喷管10的壁面可嵌入电极板产生电场，同时可布置线圈产生电磁场，从而实现激光等离子体射流的约束和加速。
本发明的有益效果为：
(1)采用狭缝、快门和透明玻璃圈等设计方法及机构，减少了反射式激光推力器的光学器件污染；(2)采用层叠式含能工质设计，可有效提高比冲，而且每脉冲烧蚀的工质质量以及推力器的冲量大小都可以精确控制；(3)阻燃薄膜可以被激光烧蚀掉，也可用于产生部分推力，因而不存在工质浪费问题。
附图说明
图1是本发明激光微推力器的结构示意图；
图2是层叠式工质及工质烧蚀管道结构示意图；
图3是工质送料机构示意图。
具体实施方式
参见附图1～3，激光器及光束变换装置1产生1064nm波长的激光，脉冲宽度在微秒以下，每脉冲能量为数毫焦。激光经扩束后的光束直径约为30mm，其光轴与推力器中心轴线重合。旋转体抛物面反射镜2由光学玻璃经镀膜而成，玻璃平均厚度约为1mm，旋转体抛物面反射镜2的镜面抛物线型方程焦距为6.25mm，旋转体抛物面反射镜2的底部直径为32mm。环形反射镜3由倾角约为38.465度的线段绕中心轴线旋转360度而成，可让激光正好聚焦于一点上，其材料与旋转体抛物面反射镜2相同。带狭缝喷管10上的狭缝可让激光通过，其宽度约为5mm。快门8作动时间小于50μs。含能工质12由硝铵复合推进剂或新型高能推进剂组成，每层厚度约为100微米，其间由阻燃薄膜11分隔开。阻燃薄膜11厚度为30μm，其主要成分为特氟龙。由阻燃薄膜11与含能工质12叠合而成的圆柱形药柱直径与光斑直径相当，约为1mm，药柱长度约为30mm。
Claims (4)
1.激光微推力器，包括激光器及光束变换装置(1)、旋转体抛物面反射镜(2)、环形反射镜(3)、带狭缝喷管(10)、快门(8)、透明玻璃圈(9)，其特征在于旋转体抛物面反射镜(2)、环形反射镜(3)和带狭缝的喷管(10)三部件的对称轴与激光微推力器中心轴线重合，旋转体抛物面反射镜(2)位于激光器及光束变换装置(1)之后，带狭缝喷管(10)位于旋转体抛物面反射镜(2)之后，环形反射镜(3)位于带狭缝喷管(10)的尾部的外侧，在带狭缝喷管(10)的狭缝之间设置有快门(8)，在环形反射镜(3)到带狭缝喷管的狭缝之间的光路上设置有透明玻璃圈(9)。
2.根据权利要求1所述的激光微推力器，其特征在于：工质供应装置位于带狭缝喷管(10)与旋转体抛物面反射镜(2)之间，工质供应装置包括弹簧预紧机构(6)、弹簧(5)、工质烧蚀管道(7)，弹簧预紧机构(6)位于弹簧(5)之后，工质烧蚀管道(7)位于弹簧预紧机构(6)之后，工质烧蚀管道(7)位于带狭缝喷管(10)的前部。
3.根据权利要求2所述的激光微推力器，其特征在于：工质送料机构(4)位于工质供应装置中弹簧(5)的侧面，工质送料机构(4)的尾部安装有复位弹簧片(13)。
4.根据权利要求1所述的激光微推力器，其特征在于：激光烧蚀的工质为圆柱形药柱，药柱由含能工质(12)和阻燃薄膜(11)一层层交替叠加而成。
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