CN106507771B - 反射式激光推力器 - Google Patents
反射式激光推力器Info
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Abstract
本发明涉及一种反射式激光推力器，作为航空航天飞行器的动力推进器。它包括有激光束聚焦光路系统、喷管承力体、光束跟踪随动系统，光路系统采用三次反射的光反光镜组，反光镜组包括有反射尖锥、反射尖锥外围的反射环锥以及反射环罩，反射环罩母线为抛物线，喷管承力体位于同轴的反射尖锥与反射环锥体之间轴线上，设置光束跟踪随动系统，光束跟踪随动系统为三轴转动框架，接飞行器载体姿态控制系统姿控信号控制。优点是：推力方向任意控制。光束跟踪随动系统，将任意角度入射激光，反射为平行于推力器轴线的光束；聚焦系统和喷管可分别优化设计；热冲击影响易解决。
Description
技术领域
本发明属于空间推进技术领域，特别是涉及一种反射式激光推力器技术领域，作为航空航天飞行器的动力推进器。
背景技术
激光推进技术是一种先进的推进技术，与化学火箭推进相比，其主要特点是：比冲大、成本低；机动性好、可靠性高；远距离传输能量，在轨机动能力强；发射周期短、批量发射能力强；中等推力。有望成为快速进入空间的有效途经，因此，成为国际上研究热点之一。
当前，已有反射式激光推力器，如美国专利US6530212“Laser PlasmaThruster”、美国Air Force Research Laboratory的“Ground and flight tests oflaser propelled vehicles”(见AIAA98-1001)、“德国激光推进研究活动”和“日本激光推进研究活动”(见2003年第一届国际定向能推进会议文集)都报道了关于激光推进研究的反射式激光推力器方案，这些文献公开的反射式激光推力器方案结构组成基本类似，包括有激光聚焦系统和喷管。现有的激光推力器构型设计存在的主要难点在于：
(1)没有解决推力矢量控制方法
只给出了单一角度入射激光能量，产生确定方向的推力的方案，不能实现空间任意角度入射激光能量，转化为需要方向上的推力；
(2)没有解决推力器推力面与聚焦面的分离
推力器的推力面与聚焦面共体。推力器的喷管内壁既作为推力面又承担激光束聚焦面，聚焦面与推力面耦合在一起，喷管的几何参量不能优化，喷管的热力冲击耦合强烈。
发明内容
本发明的目的是解决推力器推力面与聚焦面分体、推力矢量控制的问题，为激光推力器在航空航天工程应用，提出一种反射式激光推力器。
实现本发明的反射式激光推力器的方案如下。它包括有激光束聚焦光路系统、喷管承力体，还包括光束跟踪随动系统，其激光束聚焦光路系统采用三次反射的光反光镜组，三次反射的光反光镜组包括有反射尖锥、反射尖锥外围的反射环锥以及反射环罩，反射尖锥的锥面母线和反射环锥内锥面母线为直线，反射环罩母线为抛物线，反射尖锥、反射环锥和反射环罩光学同轴，反射环罩位于反射环锥敞口一侧；喷管承力体位于同轴的反射尖锥与反射环锥体之间的轴线上；光束跟踪随动系统设置在反射环锥的另一侧，其光束跟踪随动系统为三轴转动框架，转动框架的中心有平面反射镜，转动框架的X、Y、Z三轴的三轴执行机构为步进电机，接受航天(或航空)飞行器载体姿态控制系统姿控信号控制，平面反射镜绕镜面反射中心的三维定点转动。
工作时，光束跟踪随动系统中的平面反射镜接收地基入射激光束照射，激光束传给反射尖锥进行激光束的一次反射，一次反射的激光束经反射环锥内锥面进行激光束的二次反射，二次反射的激光束经反射环罩进行激光束的三次反射，第三次激光束反射是激光束的聚焦反射，将聚焦的激光束照射到喷管承力体，激发喷管承力体内的工质产生等离子体，等离子体经喷管喷射产生推力。
本发明反射式激光推力器构型设计方法的优点是：
(一)推力方向任意控制。光束跟踪随动系统，将任意角度入射的激光，反射为平行于推力器轴线的光束；三个反射面和喷管，将激光能量转化为平行于推力器轴线的推力，实现了推力在空间任意方向的控制，这是航空航天推力器必备的能力。
(二)聚焦系统和喷管可分别优化设计。由于聚焦系统和喷管分离，聚焦系统可根据聚焦位置和聚焦环直径，进行优化设计；喷管按照产生最大推力的要求，进行形状优化设计，两者之间不存在热力冲击耦合问题。
(三)聚焦环直径可与注入激光能量匹配设计。根据聚焦处注入激光能流密度，设计合适的反射光路，确定优化的聚焦环直径，达到尽量增大推力的目的。
(四)热冲击影响易解决。由于光束跟踪随动系统、光路反射系统、喷管承力体各自分离，不存在热力冲击耦合，并且镜面反射方式比镜面透射方式吸热少，热冲击影响可分别加以解决。
附图说明
图1本发明反射式激光推力器原理示意图；
图2本发明反射式激光推力器聚焦原理示意图；
图3本发明光束跟踪随动系统示意图；
图4本发明光束跟踪随动系统原理图；
图5本发明反射式激光推力器实物图；
图6本发明反射式激光推力器推进实验图。
具体实施方式
结合附图和实例对本发明的反射式激光推力器做进一步详细描述。
图1给出了本发明反射式激光推进聚焦系统组成示意图，图2给出了本发明反射式激光推力器聚焦原理示意图，它包括有激光束聚焦光路系统、喷管承力体，还包括光束跟踪随动系统6。
激光束聚焦光路系统采用三次反射的光反光镜组，三次反射的光反光镜组包括有反射尖锥1、外围的反射环锥2以及反射环罩3，反射尖锥1的锥面母线和反射环锥2的内锥面母线为直线，反射环罩3的母线为抛物线，反射尖锥1、反射环锥2和反射环罩3光学同轴，反射环罩3位于反射环锥2敞口一侧；喷管承力体4位于反射尖锥1与反射环罩3之间的轴线5上(即推力器轴线)；光束跟踪随动系统6设置在反射环锥2的另一侧，其光束跟踪随动系统6(见图3、4)为三轴转动框架7，转动框架7的中心有平面反射镜8，转动框架7的X、Y、Z三轴的三轴执行机构为步进电机(图中未画)，步进电机的运动接受航天(或航空)飞行器载体姿态控制系统姿控信号的控制，实现平面反射镜8绕镜面反射中心的三维定点9转动，使得地基照射激光束10以任意入射角进入平面反射镜8时，都能实现激光束10经平面反射镜8反射后的激光束11保持与飞行器的飞行轴线平行。
工作时，光束跟踪随动系统中的平面反射镜8接收地基入射激光束10照射，平面反射镜8反射的激光束11传给反射尖锥1进行激光束的一次反射，一次反射的激光束12经反射环锥1的内锥面进行激光束的二次反射，二次反射的激光束13经反射环罩2的环锥面进行激光束的三次反射，第三次反射激光束14是激光束的聚焦反射，将聚焦的激光束照射到喷管承力体4，激发喷管承力体4内的工质产生等离子体15，等离子体15经喷管喷射产生推力。
(一)反射式激光推力器构型要素分析
①光束跟踪随动系统。如图1所示，光束跟踪随动系统的作用是将任意角度入射的激光束反射为平行于推力器轴线的平行光。
②激光束聚焦光路系统。如图1和图2所示，一次反射尖锥1面和二次反射环锥2面的母线为直线，只起改变光路方向作用，两次反射后光束可以与推力器轴线5平行或有倾角，三次反射抛物线环罩3面的母线是抛物线，作用是将激光束聚焦在喷管内部。
③喷管承力体4。如图1和图2所示，喷管承力体4的作用为聚焦激光束和承受激光作用力，产生激光推力，形状为大开口、钝头锥形。
(二)反射式激光推力器构型设计方法
④光束跟踪随动系统设计方法。如图3和图4所示，光束跟踪随动系统，是绕跟踪平面反射镜8中心的定点三维转动机构，随动转轴X和随动转轴Y，实现跟踪反射面转动，绕推力器轴线5转动是为了快速转动，上述转动采用步进电机控制实现。
⑤光路反射系统设计方法。如图1和图2所示，通过一次反射尖锥1面的锥角A和二次反射环锥2面的倾角B的选取，可改变两次反射后激光束的倾角，三次反射抛物线环3面入射光与当地水平线夹角为γ＝2A-2B。
⑥三次反射抛物线环面设计方法。如图2所示，如果γ≠0，只能得到三次反射抛物线环面的数值解；如果γ＝0，则三次反射抛物线存在解析解。
计算三次反射抛物线环面的初始参数为：1)入射光与当地水平夹角γ；2)聚焦环直径q；3)三次反射抛物线环面与喷管距离x0(或角度β)。
建立微分方程，定量分析计算过程如下
x＝x+Δx时，有y＝y+Δy，代入式(1)可得
又有三次反射抛物线环面应满足
按照一阶泰勒级数展开为
将式(1)和式(2)代入式(4)，可得
式(5)就是三次反射抛物线环面的母线满足的方程。
式(5)迭代计算过程为：从给定的x0开始，任意给定Δx，选择初值(Δy)0＝-Δx tanθ，直到|(Δy)i+1-(Δy)i|＜ε(ε为迭代精度)。为了加工方便一般取Δx＝(10-2～10-1)μm。
当γ＝0且q＝0时有
y2＝2p(x+p/2) (6)
⑦聚焦环直径设计方法。根据实验和数值计算，确定聚焦处产生工质击穿的注入激光能量密度的阈值，由该阈值确定聚焦环直径q，代入式(5)进行计算。一般注入能量密度大，聚焦环直径要增大，注入能量密度较小时，改为点聚焦(如图1和图2所示)。
Claims (1)
1.一种反射式激光推力器，它包括有激光束聚焦光路系统、喷管承力体，其特征是：还包括光束跟踪随动系统(6)，
所述的激光束聚焦光路系统采用三次反射的光反光镜组，三次反射的光反光镜组包括有反射尖锥(1)、外围的反射环锥(2)以及反射环罩(3)，反射尖锥(1)的锥面母线和反射环锥(2)内锥面母线为直线，反射环罩(3)母线为抛物线，反射尖锥(1)、反射环锥(2)和反射环罩(3)光学同轴，反射环罩(3)位于反射环锥(2)敞口一侧；喷管承力体(4)位于反射尖锥(1)与反射环罩(3)之间轴线(5)上；
所述的光束跟踪随动系统(6)设置在反射环锥(2)的另一侧，为三轴转动框架(7)，转动框架(7)的中心有平面反射镜(8)，转动框架(7)的X、Y、Z三轴的三轴执行机构为步进电机，步进电机的运动接受飞行器载体姿态控制系统姿控信号的控制；
所述的三次反射的光反光镜组的光束反射光路为：光束跟踪随动系统中的平面反射镜(8)接收地基入射激光束(10)照射，平面反射镜(8)反射的激光束(11)传给反射尖锥(1)进行激光束的一次反射，一次反射的激光束(12)经反射环锥(1)的内锥面进行激光束的二次反射，二次反射的激光束(13)经反射环罩(2)的环锥面进行激光束的三次反射，第三次反射激光束(14)是激光束的聚焦反射，将聚焦的激光束照射到喷管承力体(4)，激发喷管承力体(4)内的工质产生等离子体(15)，等离子体(15)经喷管喷射产生推力。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN107401489A (zh) * | 2017-08-18 | 2017-11-28 | 张雄志 | 一种利用激光产生推力的发动机 |
| CN108974395A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-12-11 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 基于天基激光平台驱动的空间目标变轨计算方法及其装置 |
| CN110045742A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-23 | 南京理工大学 | 一种基于红外光测距的四旋翼无人机避障装置及避障方法 |
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2005
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