CN102777341B - 激光微流体微推进装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光微流体微推进装置及方法。所述装置包括脉冲激光烧蚀装置、喷口块及推进剂供给装置及等离子体加速装置；所述喷口块一侧设置有透明基底，内部设有一微喷管道；所述推进剂供给装置提供的推进剂通过一微管与所述微喷管道连接；所述脉冲激光烧蚀装置通过所述透明基底烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。根据本发明提供的激光微流体微推进装置及方法不仅不污染镜头，推力矢量不变化，而且同时可为微小卫星提供较具有较高比冲和推功比。
Description
技术领域
本发明涉及激光推进领域，特别涉及一种激光微流体微推进装置及方法。
背景技术
微小卫星的迅速发展使得研究高效、轻型、低功耗、小推力、微冲量的微推进技术成为必须。激光微推进技术具有推力精确，比冲较高和结构简单的特点受到成为研究的热点。目前的激光微推进技术主要包括反射式推进技术(如图1所示)和透射式推进技术(如图2所示)。反射式推进的结构虽然简单，但是容易激光烧蚀的喷射物质长达喷射5cm，很容易污染镜头。透射式推进的结构：工质采用磁带式，工质由透明基底、粘结剂层和工质层三层构成。激光透过基底烧蚀工质层。由于光斑直径只有几十微米，磁带的宽度方向有1cm以上，长度更是达到了几十米，因此，不仅要求激光器在工质带的宽度方向来回扫描，还要配合卷带电机一起形成二维运动(如图3所示)，才能实现激光对工质的密集烧蚀。但透射式推进技术存在以下技术问题：工质即使被密集烧蚀，孔间仍有空隙，材料不能被完全烧蚀，利用率上限也只有78％。工质的一半重量是透明基底。需要两组高速电机，空间润滑问题面临极大的挑战。由于作用点上下移动，导致推力矢量变化，不利于卫星姿态的稳定。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种既不污染镜头，不会导致推力矢量变化及影响卫星姿态的激光微流体微推进装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种激光微流体微推进装置包括：
脉冲激光烧蚀装置、喷口块及推进剂供给装置及等离子体加速装置；所述喷口块一侧设置有透明基底，内部设有一微喷管道；所述推进剂供给装置提供的推进剂通过一微管与所述微喷管道连接；所述脉冲激光烧蚀装置通过所述透明基底烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光微流体微推进方法包括：
通过所述推进剂供给装置向所述喷口块内部的微喷管道推送推进剂；
通过脉冲激光烧蚀装置照射所述透明基底，烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。
根据本发明提供的激光微流体微推进装置及方法不仅不污染镜头，推力矢量不变化，而且同时可为微小卫星提供较具有较高比冲和推功比。
附图说明
图1是现有反射式推进技术的示意图；
图2是现有透射式推进技术的示意图；
图3是图2所示二维运动对透射式工质的烧蚀效果示意图；
图4是本发明实施例提供的激光微流体微推进装置的结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的激光微流体微推进装置的结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的工质的离散元模型的示意图；
图7是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝5.5ns时的仿真结果示意图；
图8是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝11ns时的仿真结果示意图；
图9是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝22ns时的仿真结果示意图；
图10是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝40ns时的仿真结果示意图；
图11是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝66ns时的仿真结果示意图；
图12是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝100ns时的仿真结果示意图；
图13是本发明另一实施例提供的对20um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图14是本发明另一实施例提供的对25um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图15是本发明另一实施例提供的对30um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图16是本发明另一实施例提供的对40um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图17是本发明另一实施例提供的对50um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图18是本发明另一实施例提供的对60um厚的工质在t＝110ns时的数值模拟示意图；
图19是本发明另一实施例提供的比冲随工质厚度变化的关系的示意图；
本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
如图4所示，本发明实施例提供的一种激光微流体微推进装置包括脉冲激光烧蚀装置、喷口块3及推进剂供给装置及等离子体加速装置。喷口块一侧设置有透明基底4，内部设有一微喷管道7。推进剂供给装置提供的推进剂通过一微管6与微喷管道7连接。脉冲激光烧蚀装置通过透明基底4烧蚀微喷管道7中的由推进剂供给装置提供的推进剂。推进剂供给装置包括储液箱1及微管6。储液箱1包括带活塞的弹簧101及液体工质102。弹簧101将液体工质102通过微管6推送到微喷管道7中。微管6设置有用于控制微管关闭的微管阀门2。脉冲激光烧蚀装置包括脉冲光纤激光器5和聚焦镜9。脉冲光纤激光器5产生的激光依次通过聚焦镜9及透明基底4照射到微喷管道7中的推进剂上。喷口块3还设置有喷头阀门10，用于控制微喷管道7的关闭。
激光微流体微推进装置具体的工作方式是：
1、工作状态：当接收工作命令后，微管阀门2打开，储液箱1内的液体工质102在推力弹簧101活塞的挤压下，顺着微管6流入到喷口块3内部的微喷管道7。脉冲光纤激光器5收到工作命令后，激光束经过聚焦镜头9后过过透明基底4汇聚到微喷管道7的左侧，开始烧蚀内部的液体。此时喷口阀门10也开启，液体在高能激光8的作用下开始气化，体积剧烈膨胀，由于透明基底4的约束，形成的微喷射气体11从微喷管道7的右侧喷出，形成向左的推力。
2、不工作状态：微管阀门2和喷口阀门10处于关闭状态，推进器处于不工作状态。推力器在空间面临的两个问题：如果没微管阀门2的限制，液体将会不断的被挤压出去，所以需要微管阀门2处于常闭状态。此外，仅有微管阀门2还是不够，每次工作后，介于微管阀门2到喷口管道7这一段可能还有残余液体，因此本发明实施例中采用的是有机类推进剂(如肼)，其中含有不易挥发的成分(含能颗粒等)。采用不易挥发的成分的好处是防止残留物堵塞管，因为有机成分的挥发，会导致残留物堵塞管内，阻碍液态工质的供给。
3、喷口清理：本发明实施例提供的激光微流体微推进装置虽然有微管阀门2和喷口阀门10的存在，可大大降低的喷口残留工质的干结堵塞。但每隔一段时间，还是要对喷口进行清理。将微管阀门2关闭，喷口阀门10打开，激光8开始工照射喷口管道7，将处喷口处的结块烧蚀从喷口管道7右侧喷出，从而打通管道。
另外，工质厚度(即微喷管道7的宽度)对推进效果有很大影响。喷口管道7宽度越宽，产生的推力越大，但是推进剂的消耗越多；喷口越窄，推力较小，但是推进消耗少，使用的寿命长。一般采用比冲和推功比这两个参数来衡量推进效果，比冲的定义为Isp＝v/g(1)，其中，v为烧蚀产生的等离子体的喷射速度，g为重力加速度。由上式(1)可见，喷射速度越高，比冲就越高。比冲越高，产生相同冲量所消耗的推进剂的质量就越低，卫星在携带相同质量的推进剂在轨运行的时间也就越长。推功比的定义如下所示，即：Cm＝F/P(2)，其中，F为产生的推力，P为输入电功率。可见相同电功率下，Cm值越大，推力F就越大。对于重量只有100kg左右的微小卫星，只能产生几十W的电力，如果推功比太低，产生的推力就太小，不能完成卫星轨道保持和快速调姿等对速度要求较高的任务。
为清楚说明工质厚度对于烧蚀效果的影响，采用离散元方法对烧蚀过程进行了初步数值模拟。含能工质的烧蚀过程是一个十分复杂的物理、化学和力学过程。本数值模拟中将不考虑工质的化学反应，推进工质和产物也都内简化为均匀物质。对于喷口管道中的厚度只有40μm工质的建模如图6所显示。单个元的尺寸为3.05um，由13层构成，加载激光的功率密度I＝1.8×10W/cm，脉宽τ＝0.8ms。光斑的尺寸为50μm。
仿真结果如图7-12所示。图7-12分别是对40um工质在不同时刻的仿真结果。其中，在5.5ns时，底部颗粒开始向上压缩上向的颗粒(参见图7)。在11ns时，底部颗粒向上压缩，但此时表面还没有形成凸起(参见图8)。在22ns时，工质表面收挤压已形成了凸起(参见图9)。在40ns时间，表面已经开始破裂，颗粒元向外喷出(参见图10)。到了66ns时间部分颗粒已经飞到了距离靶材表面150um的地方(参见图11)。到了110ns飞到了距离靶材表面大约250um的距离(参见图12)。
基于上述流程，分别就20、25、40、50、60um厚的工质进行了数值模拟，结果如图13-18所示。如图13所示，对20um厚的工质，喷射最为猛烈，在110ns的飞行高度就达到了300um，喷口叫较为干净，残留物比较受，底部烧蚀比较干净。而对于60um厚的工质，如图18所示，在110ns的时候，表层工质刚开始炸开。根据前面公式2的定义，比冲和喷出速度有直接的关系，所以通过对于喷出颗粒的速度进行统计就可以得到相关的比冲，各种厚度的比冲统计结果如图19所示，可以看出，随着厚度的增加，比冲迅速下降。这也就直观地解释了厚度对推进性能的影响。工质越厚，被激光直接烧蚀利用的工质相对较少，上层有越多的工质是被挤压出去，飞行速度很慢，比冲比较低。对于较厚的工质但由于每次喷出的质量较多，虽然喷射速度较低，也能形成较大的推力。
高比冲和大推力各有其应用背景，当对卫星进行姿态控制时，需要的推力很小50uN，此时希望可以选择宽度较小的推力器装置，当用于卫星的轨道保持的时候，推力需要100-1000uN，可牺牲一部分比冲，选择宽度较大的推力器装置。
另外，表1给出了本发明实施例提供的激光微流体微推进装置和传统激光微推进器的参数比较。
表1
本发明实施例基于图4所示的装置提供一种透射式液体激光微推进方法包括：
步骤S1、通过所述推进剂供给装置向所述喷口块内部的微喷管道推送推进剂；
步骤S2、通过脉冲激光烧蚀装置照射所述透明基底，烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。
本发明提供的激光微流体微推进装置结构简单、控制灵活等优点，将能更好的满足微小卫星的姿态控制、轨道保持、编队飞行等复杂任务。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光微流体微推进装置，其特征在于，包括：
脉冲激光烧蚀装置、喷口块及推进剂供给装置及等离子体加速装置；所述喷口块一侧设置有透明基底，内部设有一微喷管道；所述推进剂供给装置提供的推进剂通过一微管与所述微喷管道连接；所述脉冲激光烧蚀装置通过所述透明基底烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。
2.根据权利要求1所述的激光微流体微推进装置，其特征在于，所述推进剂供给装置包括：
储液箱及微管；所述储液箱包括带活塞的弹簧及液体工质；所述弹簧将所述液体工质通过所述微管推送到所述微喷管道中。
3.根据权利要求1或2所述的激光微流体微推进装置，其特征在于：
所述微管设置有用于控制所述微管关闭的微管阀门。
4.根据权利要求1所述的激光微流体微推进装置，其特征在于，所述脉冲激光烧蚀装置包括：
脉冲光纤激光器和聚焦镜，所述脉冲光纤激光器产生的激光依次通过所述聚焦镜及所述透明基底照射到微喷管道中的所述推进剂上。
5.根据权利要求1、2或4任一项所述的激光微流体微推进装置，其特征在于：
所述喷口块还设置有喷头阀门，用于控制所述微喷管道的关闭。
6.根据权利要求1所述的激光微流体微推进装置，其特征在于：
所述微喷管道的宽度为20-300um。
7.根据权利要求6所述的激光微流体微推进装置，其特征在于：
所述微喷管道的内径为50-200um。
8.一种基于权利要求1所述装置的激光微流体微推进方法，其特征在于，包括：
通过所述推进剂供给装置向所述喷口块内部的微喷管道推送推进剂；
通过脉冲激光烧蚀装置照射所述透明基底，烧蚀所述微喷管道中的由所述推进剂供给装置提供的推进剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
通过一微管阀门控制所述推进剂是否推送到所述微喷管道。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
通过关闭所述微管阀门，打开所述喷口块处的喷口阀门（6），通过所述脉冲激光烧蚀装置照射所述喷口管道，将处于喷口处的结块烧蚀并从管道右侧喷出，从而打通管道。
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Effective date of registration: 20181220 Address after: 215505 No. 2 Jianye Road, High-tech Industrial Park, Changshu Economic and Technological Development Zone, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: SUZHOU NAFEI SATELLITE POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100029 Microelectronics Institute, Chinese Academy of Sciences, 3 north earth road, Chaoyang District, Beijing Patentee before: Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences |
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