CN102400878A

CN102400878A - 吸气式激光推力器

Info

Publication number: CN102400878A
Application number: CN2010102780777A
Authority: CN
Inventors: 谭荣清; 陈静; 郑义军
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-04-04

Abstract

本发明公开了一种吸气式激光推力器，涉及激光应用技术，包括聚光罩和加强喷管两部分。聚光罩为聚焦入射激光的光学部件，同时也作为主喷管。加强喷管为薄壁管状结构，可以为圆柱形管或圆锥台形管，其中心对称轴与聚光罩对称轴共轴并与聚光罩前后衔接。本发明的吸气式激光推力器，同已有的吸气式激光推力器相比，采用该装置，能够大幅度提高冲量耦合系数，冲量耦合系数可提高20％到80％以上，最高可达到360N/MW以上。

Description

吸气式激光推力器

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，属于激光推进技术领域，特别是一种可实现高冲量耦合系数的吸气式激光推力器。

背景技术

1972年，美国学者Kantrowitz提出了利用地基或空基激光远距离传输能量将小卫星或飞行器送入近地轨道的设想，由此开创了航天推进的新领域——激光推进。激光推进是一种利用激光与工作物质相互作用产生推力的新概念技术，根据工作方式的不同，可以分为吸气模式和火箭模式。其中吸气模式是利用空气作为工作物质，将激光脉冲聚焦后击穿空气，形成等离子体点火，高温、高压的等离子体团以爆轰波/爆燃波的形式迅速膨胀，并推动激光推力器前进。

激光推力器是激光推进系统中的重要组成部分，国内外的研究者致力于设计或改进推力器结构来达到最佳推进效果。衡量推进效果最为重要的指标就是冲量耦合系数，其物理意义为每单位脉冲能量所获得的冲量，在数值上等于单位激光功率所获得的推力，国际制单位为N·s/J或N/W。在实际应用中，为表述方便，一般采用N/MW作为计量单位。冲量耦合系数越大，表明推进器将激光能量转化为推力器动能的能力越强，因此通过优化推力器结构来提高冲量耦合系数成为吸气式激光推进研究中的关键技术之一。

典型的激光推力器代表就是美国伦塞勒工学院的Myrabo等人提出的光船模型和德国航空航天局技术物理研究所的Bohn等人研究的铃形激光推力器，虽然Myrabo提出的光船模型有性能稳定、利于飞行等优点，但是由于铃形激光推力器的内表面是一个高反射率的抛物面，激光脉冲通过其聚焦于一点而不是一个环，所以得到的冲量耦合系数比光船模型要高约60％(参考文献1：W.O.Schall，H.-A.Eckel，W.Mayerhofer，W.Riede，and E.Zeyfang，“Comparative lightcraft impulse measurements”，Proc.SPIE 4760，908(2002))。图1所示即为铃形激光推力器的

示意图，所示推力器同时具有聚光和喷管的作用(参考文献2：W.L.Bohn，W.O.Schall.“Laserpropulsion activities in Germany”，in Beamed Energy Propulsion：FirstInternational Symposium，A.V.Pakhomov，ed.(2003)，p.79)。当入射激光脉冲照射到推力器内表面，便聚焦到焦点区域，该区域的空气击穿后产生等离子体，等离子体团继续吸收激光能量以爆轰波/爆燃波的形式迅速膨胀，在激光脉冲结束后爆轰波/爆燃波退化成冲击波继续传播，直到与喷管壁面发生动量耦合产生脉冲推力。由于这种抛物面型自聚焦式激光推力器可以同时起到光学聚焦和气动喷管的作用，结构简单且能量转化效率高，已经成为实验研究中广泛采用的激光推力器模型。

发明内容

本发明的目的是公开一种吸气式激光推力器，在同类型常规激光推力器的基础上加装一不同结构的加强喷管，可以有效并显著地提高冲量耦合系数，是一种简单、实用、可靠的高耦合系数激光推力器。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种吸气式激光推力器，包括聚光罩，聚光罩内表面为抛物面、球面或椭球面，其内表面通过抛光或镀膜技术，以达到高反射率；其还包括加强喷管；加强喷管为薄壁管状结构，为圆柱形管或圆锥台形管；加强喷管前入口与聚光罩出口相固接，加强喷管的入口直径不小于聚光罩的出口直径；加强喷管中心对称轴与聚光罩对称轴共轴；

该聚光罩为聚焦入射激光的光学部件，同时也为主喷管。

所述的吸气式激光推力器，其所述加强喷管为圆锥台形管时，其出口直径大于入口直径。

所述的吸气式激光推力器，其所述聚光罩，采用铝合金等轻质高反射率金属材料制作；加强喷管，采用耐热、不易变形的材料加工而成；加强喷管采用与聚光罩的材质相同，或不同材料制作。

所述的吸气式激光推力器，其所述聚光罩和加强喷管为一体结构，或分别加工制作完成后，再将两者固接成一体。

所述的吸气式激光推力器，其所述加强喷管前入口与聚光罩出口相固接，为在加强喷管前入口与聚光罩出口的圆周缘上相对应处，各设有至少两个耳柄，通过螺钉、胶粘或卡扣的多种方式中的一种或几种，将相应的耳柄组合连接。

所述的吸气式激光推力器，其所述耐热、不易变形的材料，包括铝、不锈钢的金属材料，或热固塑料的非金属材料。

综上所述，本发明的一种吸气式激光推力器，通过安装加强喷管，大幅地提高了冲量耦合系数，显著地改善了吸气式激光推进性能，为激光推力器的优化设计提供了一种高效、易行的选择。该装置结构简单、易于加工、运行可靠、成本低廉，可广泛应用于激光推进研究领域。

附图说明

图1为现有典型铃形激光推力器的示意图；

图2为本发明一种吸气式激光推力器的一实施例，采用抛物面型聚光罩和圆柱体加强喷管的结构示意图；

图3为本发明一种吸气式激光推力器的另一实施例，采用抛物面型聚光罩和圆台体加强喷管的结构示意图；

图4为本发明一种吸气式激光推力器采用具体实施例的实验结果示意图。

具体实施方式

本发明一种吸气式激光推力器，是在常规旋转面罩型激光推力器的基础上加装一加强喷管，根据激光与物质相互作用机理以及气体动力学原理，激光聚焦致空气击穿后产生高温等离子体团，高温等离子体团继续吸收激光能量后形成爆轰波/爆燃波，该爆轰波/爆燃波以类似球面波的形式传播，并在激光脉冲结束后退化成冲击波，冲击波在碰撞到聚光罩内壁时发生流固耦合过程并产生推力，当反射后的流场与前驱冲击波碰撞到加强喷管内壁时，再次发生流固耦合过程，受固体壁面的约束，推力器内的高压流场为推力器提供了轴向冲量，直至高速气流逸出加强喷管出口。

本发明包括聚光罩和加强喷管两个组成部分。聚光罩作为光学聚焦元件，同时作为主喷管，其内表面为轴对称旋转曲面，可以为抛物面型，也可以为球面型或椭球面型。加强喷管为薄壁管状结构，可以为圆柱形管或圆锥台形管，其中心对称轴与聚光罩对称轴共轴，且其入口直径不小于聚光罩的出口直径。聚光罩的出口与加强喷管的入口相互连接无缝隙。

其工作流程是：当入射激光脉冲进入激光推力器，并通过推力器的聚光罩内表面反射聚焦于焦点，焦点区域的空气完全击穿后产生高温等离子体，等离子体团继续吸收激光脉冲能量形成类似球面波形式膨胀的爆轰波/爆燃波，并在激光脉冲结束后退化成冲击波，冲击波碰撞到聚光罩与加强喷管内壁时发生流固耦合过程，将高温高压的流场动能转化为激光推力器的动能。

为进一步说明本发明的技术特征，下面结合附图对本发明作详细描述。

见图2是本发明一种吸气式激光推力器，采用抛物面型聚光罩和圆柱形加强喷管的结构示意图。图3是本发明一种吸气式激光推力器采用抛物面型聚光罩和圆锥台形加强喷管的结构示意图。聚光罩1和加强喷管2为分体结构，并共用对称轴3。聚光罩1为轴对称抛物面形状，加强喷管2为圆柱形薄壁管状，聚光罩1有两个对称耳柄4和4′，加强喷管2有两个对称耳柄5和5′，聚光罩1的出口直径和加强喷管2的入口直径相同并通过耳柄4、4′和耳柄5、5′前后衔接。

实施例

激光器采用中国科学院电子学研究所研制的高功率TEA CO₂激光器，输出波长为10.6μm，单脉冲能量可达到几十焦耳，脉宽约为200ns左右。

激光推力器采用聚光罩和加强喷管分体式，见图2，加强喷管为圆柱形管。聚光罩采用抛物面型轴对称旋转体结构，材质为硬铝，由数控机床加工成型，内表面经过抛光后反射率高达90％以上，焦距选取了两种尺寸：5mm和10mm，边沿口径均为50mm。加强喷管采用圆柱管状结构，材质为硬铝，内径为50mm，壁厚为0.5mm，长度在10mm至80mm范围内变化。激光推力器的整体质量随加强喷管的长度变化，变化范围在34.5g～43.9g之间。

图3是本发明的另一实施例，分体式，加强喷管为圆锥台形管。

图4所示采用上述装置在19.1J能量条件下进行吸气式激光推进实验的实验结果。对于焦距为5mm的激光推力器，冲量耦合系数在加强喷管长度为30mm时最大，达到365N/MW，在原有推力器的基础上将冲量耦合系数提高了约21％。对于焦距为10mm的激光推力器，冲量耦合系数在加强喷管长度为50mm时最大，达到335N/MW，在原有推力器的基础上将冲量耦合系数提高了约84％。

Claims

1.一种吸气式激光推力器，包括聚光罩，聚光罩内表面为抛物面、球面或椭球面，其内表面通过抛光或镀膜技术，以达到高反射率；其特征为，还包括加强喷管；加强喷管为薄壁管状结构，为圆柱形管或圆锥台形管；加强喷管前入口与聚光罩出口相固接，加强喷管的入口直径不小于聚光罩的出口直径；加强喷管中心对称轴与聚光罩对称轴共轴；

该聚光罩为聚焦入射激光的光学部件，同时也为主喷管。

2.根据权利要求1所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述加强喷管为圆锥台形管时，其出口直径大于入口直径。

3.根据权利要求1所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述聚光罩，采用铝合金的轻质高反射率金属材料制作；加强喷管，采用耐热、不易变形的材料加工而成；加强喷管采用与聚光罩的材质相同，或不同材料制作。

4.根据权利要求1所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述聚光罩和加强喷管为一体结构，或分别加工制作完成后，再将两者固接成一体。

5.根据权利要求1或4所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述加强喷管前入口与聚光罩出口相固接，为在加强喷管前入口与聚光罩出口的圆周缘上相对应处，各设有至少两个耳柄，通过螺钉、胶粘或卡扣的多种方式中的一种或几种，将相应的耳柄组合连接。

6.根据权利要求3所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述耐热、不易变形的材料，包括铝、不锈钢的金属材料，或热固塑料的非金属材料。