CN106762499A - 碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于碟片状工质盘、激光透射式与工质作用的激光烧蚀微推力器。目的是研制一种激光透射式烧蚀碟片供给工质的激光烧蚀微推力器的原理样机。集成了碟片工质盘、转动电机、电机支架、滑块、丝杠、平动框、平动电机、光纤耦合半导体激光器、准直镜组、反射器、聚焦镜组、激光焦点、工作距调节台、控制主板板卡、激光器驱动板卡、电机驱动板卡，以及供电与信号接口等。由转动电机和平动电机分别驱动碟片工质盘提供周向和径向工质烧蚀位置，持续不断提供工质到激光焦点，同时光纤耦合半导体激光器发出的激光经由准直镜组准直，反射器改变方向，聚焦镜组聚焦到激光焦点位置，与工质相互作用产生推力。本发明填补了国内在该领域的空白。

Description

碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器
技术领域
本发明属于空间推进技术领域，涉及空间平台动力系统微推力器技术，特别涉及一种基于碟片状工质盘、激光透射式与工质作用的激光烧蚀微推力器。
背景技术
激光烧蚀微推力器作为一种微推进领域可选推力器技术，经过近20年的发展，已经在众多微小推进技术领域内占据了一席之地。激光烧蚀微推力器冲量元小、比冲高、推力小、工作范围宽、功耗低、简单可靠，能够很好的适应微小卫星平台推进系统的微推力器需求。
美国、德国、日本和中国等国家先后开展了激光烧蚀微推力器的研制。美国Phipps小组研制了一款固体挠性工质带的激光等离子体微推力器，采用6只二极管激光器作为能量源，实现工质带上工质烧蚀位置的全覆盖；德国宇航中心研制了一种纳秒脉宽激光烧蚀固体材料的激光烧蚀微推力器，工质理论上可使用任何固体材料，包括金属作为靶材，激光以45度角度倾斜入射烧蚀工质材料；日本提出了一种预置烧蚀坑，将被烧蚀工质填入预置烧蚀坑中，进行约束烧蚀的激光烧蚀微推力器；中国的激光烧蚀推力器研制工作起步较晚，借鉴美国Phipps小组的研究经验，研制了一种新型的工质带式的激光烧蚀微推力器，最近提出了一种液态工质的激光烧蚀推力器工作模式。
综合国内外研究情况来看，所研制的激光烧蚀微推力器主要存在以下两个方面的问题：工质供给方式和激光烧蚀模式。工质供给通常采用挠性工质带，这样的挠性结构制作困难，不易于加工，性能不稳定，容易分层脱离，特别是在带子首尾接头处目前没有很好的接头处理方法，并且在冲击力加载时，透明层容易被烧蚀，另外自身形变会耗散点部分能量；激光烧蚀模式通常采用45度角斜入射烧蚀工质的方式，这样的方式容易造成喷射产物对光学系统的污染，并且激光聚焦光学镜面到达焦点的工作距会受到躲避污染的原因影响，而无法设计小，这样会使设计的聚焦光斑尺寸和衍射极限变大，进而导致整个光学部件体积和重量过大。另外，如液体工质供给量控制困难，挠性工质供给的输出扭矩，以及反射式激光与工质烧蚀能量耦合效率较低等问题都没有得到很好的解决。
本发明重点针对以上以往设计中存在的问题，研制了一种碟片工质盘的工质供给方式和激光透射式烧蚀工作模式。其特点在于工质基底为强度大的石英材料，无挠性部分，避免了推力耦合不确定性，电机控制时，可成对使用，避免了外力和扭矩输出，工质供给量可实现高精度的精确控制；透射式激光烧蚀模式能够有效避免光学系统的污染，使工作距的设计不受限制，能够提高能量耦合效率，冲量耦合系数获得较大提高。
发明内容
本发明的目的是借鉴国内外研究成果的基础上研制出一种能够解决部分以外设计问题的基于碟片状工质盘、激光透射式与工质作用的激光烧蚀微推力器，填补国内相关领域的空白。
实现本发明的碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器包括三部分：碟片工质供给模块、激光透射烧蚀模块和信号处理模块。
推力器集成了碟片工质盘、转动电机、电机支架、滑块、丝杠、平动框、平动电机、光纤耦合半导体激光器、准直镜组、反射器、聚焦镜组、激光焦点、工作距调节台、控制主板板卡、激光器驱动板卡、电机驱动板卡，以及供电与信号接口等。由转动电机和平动电机分别驱动碟片工质盘提供周向和径向工质烧蚀位置选择，持续不断提供新的烧蚀位置到激光焦点，同时光纤耦合半导体激光器发出的激光经由准直镜组准直，反射器改变传播方向，聚焦镜组聚焦到激光焦点位置，与碟片工质盘选择好的烧蚀位置的工质相互作用，以脉冲的方式形成设定频率的连续烧蚀喷射产生推力。
附图说明
图1本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器结构示意图(俯视图)；
图2本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器结构示意图(主视图和右视图)；
图3本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的工作原理框图；
图4本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的工质盘结构与激光烧蚀示意图；
图5本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的激光光路原理图。
具体实施方式
结合附图对本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器做进一步详细描述。图1本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器结构示意图(俯视图)，图2本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器结构示意图(主视图和右视图)。
如图1和图2所示，一种碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器包括三部分：碟片工质供给模块、激光透射烧蚀模块和信号处理模块；碟片工质供给模块集成了碟片工质盘(1)、转动电机(2)、电机支架(3)、滑块(4)、丝杠(5)、平动框(6)、平动电机(7)；碟片工质盘(1)中心有安装孔，安装在转动电机(2)转轴上，转动电机(2)转动可带动碟片工质盘(1)绕中心转动，转动电机(2)顶部与电机支架(3)顶端连接，电机支架(3)呈45度角倾斜支撑转动电机(2)，电机支架(3)底端连接滑块(4)，滑块(4)穿在丝杠(5)上，并能够在丝杠(5)上滑动，丝杠(5)安装在平动框(6)上，平动框(6)安装在底板与结构框架(8)上，丝杠(5)一端连接平动电机(7)，平动电机(7)转动可驱动丝杠(5)转动，丝杠(5)转动能够使滑块(4)沿着丝杠(5)平动；激光透射烧蚀模块集成了光纤耦合半导体激光器(9)、准直镜组(10)、反射器(11)、聚焦镜组(12)、激光焦点(13)、反射器转接件(14)、工作距调节台(15)、调节台支架(16)；光纤耦合半导体激光器(9)安装在底板与结构框架(8)上，输出光纤连接准直镜组(10)，准直镜组(10)连接在反射器(11)的输入端，反射器(11)的输出端连接聚焦镜组(12)，聚焦镜组(12)将经过准直和反射的激光聚焦到激光焦点(13)处，在激光焦点(13)处激光与烧蚀层工质相互作用，反射器(11)安装在反射器转接件(14)上，反射器转接件(14)安装工作距调节台(15)的移动台面上，工作距调节台(15)的固定底面安装在调节台支架(16)上，调节台支架(16)安装在底板与结构框架(8)上；信号处理模块包括了控制主板板卡(17)、主板板卡支柱(18)、激光器驱动板卡(19)、电机驱动板卡(20)、电机驱动板卡支柱(21)；控制主板板卡(17)由主板板卡支柱(18)安装在激光器驱动板卡(19)上方，激光器驱动板卡(19)安装在底板与结构框架(8)上，激光器驱动板卡(19)输入信号线连接控制主板板卡(17)，输出信号线连接光纤耦合半导体激光器(9)，电机驱动板卡(20)由电机驱动板卡支柱(21)安装在底板与结构框架(8)上，电机驱动板卡(20)输入信号线连接控制主板板卡(17)，输出信号线连接转动电机(2)和平动电机(7)。
如图3本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的工作原理框图所示，推力器接收到工作指令后，由控制主板板卡(17)同时发送转动电机(2)和平动电机(7)，以及光纤耦合半导体激光器(9)工作指令，由平动电机(7)驱动碟片工质盘(1)提供径向工质烧蚀位置选择，持续不断提供新的烧蚀位置到激光焦点(13)，待碟片工质盘(1)烧蚀位置确定完之后，按设定工作频率和脉宽，光纤耦合半导体激光器(9)发出的激光，经由准直镜组(10)准直，反射器(11)改变传播方向，聚焦镜组(12)聚焦到激光焦点(13)位置，与碟片工质盘(1)选择好的烧蚀位置的工质相互作用，以脉冲的方式形成设定频率的连续烧蚀喷射产生推力。
实现本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的关键步骤有两个：
步骤一、碟片工质盘的设计与制作
如图4本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的工质盘结构与激光烧蚀示意图所示，碟片工质盘为圆形碟片状，由透明层和烧蚀层两层材料组成，透明层材料为JGS2型石英，激光入射面镀红外增透膜，工质涂布面涂布100μm厚工质烧蚀层，材料为含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)，烧蚀层掺杂质量分数为1％的红外吸收染料，透明层厚1mm，直径100mm，中心打孔6mm，用于与电机转轴进行配合。
烧蚀层工质的涂布制作需要由乙酸乙酯稀释GAP后进行掺杂，掺杂均匀后采用涂布机构，将工质安装设计厚度均匀涂布到透明层的工质涂布面一侧，随后将碟片工质盘置入45摄氏度1000Pa以下真空环境30分钟以上，将乙酸乙酯充分析出后成型。
步骤二、激光烧蚀参数的设计
如图5本发明碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器的激光光路原理图所示，光路设计中采用准直、反射、聚焦的思路，反射只改变光路的传播方向，并不影响光路的准直与聚焦特性，为使激光经过聚焦后能够形成较高的功率密度，达到最优的冲量耦合性能，需要使聚焦光斑尺寸尽可能小，设计过程中需要考虑如下两个因素：通光孔径的设计和焦距的选取。
可选用的商用光纤耦合半导体激光器参数是确定的，光纤芯径105μm，数值孔径0.15，最高出光功率10W、波长940nm，以脉冲方式工作，脉宽2ms，频率最高设定为100Hz。
对于准直透镜组而言，透镜组焦距f1与通光孔径D的关系可以用数值孔径参数来建立联系，数值孔径NA为
NA＝n sinθ＝0.15
其中，n为JGS石英折射率，取1.5，θ为光纤对通光孔径为D的张角的一半。因此
也即f1＝5D
由此可知，准直透镜组焦距为通光孔径的5倍。为了限定光学系统空间尺寸的大小，通光孔径选择受限于可用的商用光学器件，选定的通光孔径不大于1/2英寸，即D小于12.7mm。考虑透镜边缘的光学像差的影响，选取通光孔径为8mm，确定的准直透镜组的焦距为40mm。
对于聚焦透镜组而言，需要考虑的设计参数是焦距，与之相关的主要是聚焦后的光斑尺寸的大小。由透镜成像原理可知
其中，F为所有透镜组等效焦距。令放大倍数为M，即
较为合适的聚焦后激光的功率密度需要在105W/cm2以上，根据选定的激光器性能可知，聚焦后光斑的直径应该不大于100μm，这是聚焦光斑尺寸的上限。因此，需要成缩小的实像，也即f2应该比f1小。另一方面，受到衍射极限的限制，聚焦后光斑最小不能小于艾里斑的半径r，即
其中，λ为激光波长。可得
r＝1.4335×10-4f2
可见聚焦透镜组焦距越小，能够获得的最小光斑直径越小，聚焦后功率密度越大。由于光学透镜球差等光学像差影响，对于8mm通光孔径的透镜而言，其焦距不宜过小，选择10mm比较合适，此时对应衍射极限最小光斑直径为2.8μm，成像得到的聚焦光斑为26μm，实际获得激光聚焦后功率密度为1.88×106W/cm2。
信号处理采用主板控制主控，激光器和电机分别控制的方式。激光器驱动板卡为PLD-10KCH型半导体激光器驱动器，电机驱动板卡采用CVD205型电机驱动器，转动电机和平动电机均为2相步进电机，型号为PKP213D05，激光器控制过程主要是为激光器提供打开关闭、工作频率、脉宽、出光功率指令，电机控制过程主要是提供电机打开关闭、步进角度、转动方向、步进数设置指令，通信接口为双向RS232串口通信接口接收推力器外部指令，并提供状态反馈，供电由推力器外部供电，接口为5V和24V两组供电。

Claims (2)

1.一种碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器包括三部分：碟片工质供给模块、激光透射烧蚀模块和信号处理模块；碟片工质供给模块集成了碟片工质盘(1)、转动电机(2)、电机支架(3)、滑块(4)、丝杠(5)、平动框(6)、平动电机(7)；碟片工质盘(1)中心有安装孔，安装在转动电机(2)转轴上，转动电机(2)转动可带动碟片工质盘(1)绕中心转动，转动电机(2)顶部与电机支架(3)顶端连接，电机支架(3)呈45度角倾斜支撑转动电机(2)，电机支架(3)底端连接滑块(4)，滑块(4)穿在丝杠(5)上，并能够在丝杠(5)上滑动，丝杠(5)安装在平动框(6)上，平动框(6)安装在底板与结构框架(8)上，丝杠(5)一端连接平动电机(7)，平动电机(7)转动可驱动丝杠(5)转动，丝杠(5)转动能够使滑块(4)沿着丝杠(5)平动；激光透射烧蚀模块集成了光纤耦合半导体激光器(9)、准直镜组(10)、反射器(11)、聚焦镜组(12)、激光焦点(13)、反射器转接件(14)、工作距调节台(15)、调节台支架(16)；光纤耦合半导体激光器(9)安装在底板与结构框架(8)上，输出光纤连接准直镜组(10)，准直镜组(10)连接在反射器(11)的输入端，反射器(11)的输出端连接聚焦镜组(12)，聚焦镜组(12)将经过准直和反射的激光聚焦到激光焦点(13)处，在激光焦点(13)处激光与烧蚀层工质相互作用，反射器(11)安装在反射器转接件(14)上，反射器转接件(14)安装工作距调节台(15)的移动台面上，工作距调节台(15)的固定底面安装在调节台支架(16)上，调节台支架(16)安装在底板与结构框架(8)上；信号处理模块包括了控制主板板卡(17)、主板板卡支柱(18)、激光器驱动板卡(19)、电机驱动板卡(20)、电机驱动板卡支柱(21)；控制主板板卡(17)由主板板卡支柱(18)安装在激光器驱动板卡(19)上方，激光器驱动板卡(19)安装在底板与结构框架(8)上，激光器驱动板卡(19)输入信号线连接控制主板板卡(17)，输出信号线连接光纤耦合半导体激光器(9)，电机驱动板卡(20)由电机驱动板卡支柱(21)安装在底板与结构框架(8)上，电机驱动板卡(20)输入信号线连接控制主板板卡(17)，输出信号线连接转动电机(2)和平动电机(7)；推力器接收到工作指令后，由控制主板板卡(17)同时发送转动电机(2)和平动电机(7)，以及光纤耦合半导体激光器(9)工作指令，按设定工作频率和脉宽，使激光与烧蚀层工质在激光焦点(13)处以脉冲方式持续作用，形成连续推力。
2.如权利要求1所述的一种碟片工质盘透射式激光烧蚀微推力器，其特征在于：
工质供给由圆形碟片工质盘(1)持续供给，碟片工质盘(1)由透明层和烧蚀层两层材料组成，透明层材料为JGS2型石英，激光入射面镀红外增透膜，工质涂布面涂布100μm厚工质烧蚀层，材料为含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)，烧蚀层掺杂质量分数为1％的红外吸收染料，透明层厚1mm，直径100mm，中心打孔6mm，用于与电机转轴进行配合，工质盘上的烧蚀工质位置，也即激光与工质相互作用的激光焦点(13)位置，是由转动电机(2)提供周向位置定位，由平动电机(7)提供径向位置定位的；
激光烧蚀采用透射式激光能量与工质烧蚀材料的耦合方式，激光经过准直整形和聚焦之后，经过工质盘透射层石英，与工质烧蚀层烧蚀材料相互作用，激光能量源采用光纤耦合半导体激光器(9)，最高出光功率10W、波长940nm、输出光纤芯径105μm、数值孔径0.15，以脉冲方式工作，脉宽2ms，频率最高设定为100Hz，准直镜组(10)焦距40mm，聚焦镜组(12)焦距10mm，均为消色差透镜组，口径12.7mm，激光焦点(13)光斑直径最小为26μm，对应工作距10mm，光斑大小可由工作距调节台(15)调节；
信号处理采用主板控制主控，激光器和电机分别控制的方式。激光器驱动板卡(19)为PLD-10KCH型半导体激光器驱动器，电机驱动板卡(20)采用CVD205型电机驱动器，转动电机(2)和平动电机(7)均为2相步进电机，型号为PKP213D05，激光器控制过程主要是为激光器提供打开关闭、工作频率、脉宽、出光功率指令，电机控制过程主要是提供电机打开关闭、步进角度、转动方向、步进数设置指令，通信接口为双向RS232串口通信接口接收推力器外部指令，并提供状态反馈，供电由推力器外部供电，接口为5V和24V两组供电。
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