CN107725298A - 光纤激光自推进宇宙光船推进系统 - Google Patents
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Abstract
光纤激光器自推进宇宙光船推进系统属于新概念航天航空技术领域，本发明涉及一种光纤激光推进的续航模式。为了解决传统化学推进系统和TEA脉冲CO2激光器推进的缺陷，也为了使飞船的速度和续航能力超越目前的极限。将光纤激光应用到激光推进装置中，通过功率控制装置得到想要的光纤激光组束，再经过聚光处理使得激光在反应腔的中心位置加热特殊工质，产生高温高压的气体，从而产生推力。化学推进装置产生比推力上限一般为4000～5000N.s/Kg，而光纤激光的能量密度很高，特殊工质分子质量小，比推力可达20000N.s/Kg，这就意味着可以超越目前化学推进速度的极限，并且特殊工质不像传统推进剂那般笨重，可以大量携带，这就能大大提高飞船的续航能力。
Description
技术领域：
本发明属于航天航空技术领域，涉及一种光纤激光推进的续航模式。
背景技术：
当前化学推进技术还存在很大的缺陷，主要表现在：
①可靠性不高，飞行可靠度小于0.99；
②推进剂的质量占运载器总质量的90％以上，有效载荷仅占1％左右，价格昂贵，运输费用高，低轨道单位质量有效载荷约11000～22000美元/kg；
③发射运转模式复杂，不易操作，发射准备周期长；
④许多主力火箭使用有毒、有污染的推进剂.
对比之下，激光推进技术的优势为：
①降低了发射成本，提高了发射的可靠性和成功率；
②采用无毒推进器，本身不会造成对大气环境污染。随着激光功率的提高，可以成倍地提高运载能力；
③特别适合作为小卫星和许多轻型飞行器的推进系统，并且能够多次使用，发射灵活，无需长周期准备，可用于应急通信、军事侦察等卫星的快速发射；
④激光推进还可应用到卫星姿态调整和清除太空垃圾等领域。
⑤具有比冲高、比推力大、有效载荷比大、推进参数调节范围大的特点。
⑥理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限，这在深太空探测中具有重要意义。
当前激光推进技术研究中，通常采用YAG固体激光器(1.06μm)、自由电子激光器和TEA脉冲CO2激光器(10.6μm)作为光推进光源进行试验。
YAG固体激光器重复频率和峰值功率可以很高，但对于激光推进来说，其单脉冲能量和平均功率均较低。自由电子激光器虽然具备波长可调，功率和效率高等优点，但要获得高质量电子束，还有许多需要进一步完善的地方：如激光阴极、射频枪、高亮度电子储存环以及光学系统等。目前各国研制的自由电子激光器，虽然峰值功率高，但单脉冲能量小(J或mJ量级)，平均功率低，重复频率也较低，不能达到远程激光推进的要求。
TEA脉冲CO2激光器技术成熟，结构简单，功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0.5～1kJ，重复频率为20～40Hz。TEA脉冲CO2激光器10.6μm波长激光用于地基激光推进，其大气透射率特性都具有较大优势，进行远距离传输时，激光功率损失最小。另外，在相同的加工精度下，CO2激光器的大口径光学元件更易于加工。因此，目前CO2激光器被美国、德国和俄罗斯等发达国家选作地基激光推进的首选激光器，其优点主要表现为：
(1)易于获得超高平均功率和峰值功率、高单脉冲能量；
(2)激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；
(3)工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；
(4)相关光学元件易于制造；
(5)运行成本低。
但TEA脉冲CO2激光器缺点也是相当明显的
(1)CO2激光器输出激光质量较差，光束束腰半径和远场发散角较大，造成了对飞行器跟踪瞄准的困难增大，只能靠提高输出功率来增加燃料腔中的激光功率密度。
(2)电光转换效率低下，仅15％左右，能耗巨大。
(3)CO2激光器系统发热量较大，需要相应的冷却装置，由于热效应的存在，使得系统的稳定性不好。
(4)CO2激光器体积相对庞大，只能用于陆基，
这些缺陷也使得激光推进技术研究仅仅停留在实验室阶段。
发明内容：
1、专利目的
为了解决传统化学推进系统和TEA脉冲CO2激光器推进的缺陷，也为了使飞船的速度和续航能力超越目前的极限，本发明采用光纤激光自推进系统，来探索新型高效的航天技术。
2、技术解决方案
化学推进系统的缺陷完全可以利用激光推进系统来弥补，但是传统激光推进因为激光光源的问题也是存在着种种不足
因此本发明提供了一种通过设计光船自推进光纤激光器激光推进系统，研究光纤激光器在激光推进技术中应用的可行性，为目前陷入技术瓶颈的激光推进技术开辟新的研究思路。
光纤激光器具有以下特点：
a.光束质量高
光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，且能被聚焦成极小的点，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接。光纤激光器中产生的激光可以轻易接近衍射极限，M2常常可以接近于1，光束发散角＜14mm.mrad，几乎是理想的光束质量。
b.具有非常高的功率和功率密度。
IPG已经出现单纤功率达到10kW的光纤激光器，而光纤束集成的光纤激光器现在已经有50kW的产品。实验室已达到100kW的输出水平。可以预计，不久的将来光纤激光器的光输出功率可以达到500kW。由于其在高功率的同时具有很好的光束质量，所以可以获得非常高的功率密度。
c.转换效率高并且容易冷却。
光纤激光器一般可将70％～80％的进入光纤的泵浦能量转换为输出激光。这可以更好地节能，同时这也意味着光纤激光器只有很少能量被转化为热。细长的光纤具有很高的表面积/体积比，产生的热量沿着光纤长度分布，这样散热很快，损耗小，即使千瓦级的光纤激光器也只需简单可靠的风冷，使用环境温度为-20℃到+70℃。采用光纤结构就可利用很小的泵浦功率来获得激光输出。
d.光纤激光器具有极佳的稳定性、可靠性。
其他激光器由于光路耦合需要极为精确的调校，所以对碰撞、震动等非常敏感，一旦光路失准，就会失效。而光纤激光器本身就是光纤结构，光卤石一个封闭的结构，无须机械稳定，可在灰尘、高冲击、高震动、高温度等各种恶劣的环境下工作，维护方便。
e.泵浦二极管寿命长。
泵浦二极管寿命＞100kh。光纤激光器具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性。可连续或脉冲运转平均无故障工作时间在10kh以上。
f.可连续或脉冲运转，省电，安全。
光纤激光器具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性。可以连续或脉冲输出，输出波形可以程序预设，输出频率0-5kHz连续可调。工作时省电，安全性高。
g.使用灵活，性价比高
由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体积小，易于系统集成，性能价格比高。
因此基于光纤激光器的特点和日益提高的功率，完全可以将其应用到激光推进领域。应用光纤激光器，采用光纤激光组束技术，将光纤激光器设计于光船之上的激光推进系统中，是推进当前激光推进技术研究的新思路。
通过功率控制装置得到想要的光纤激光组束，再经过聚光处理使得激光在反应腔的中心位置加热特殊工质，产生高温高压的气体，从而产生推力。因为光纤激光的能量密度很高，特殊工质分子质量小，比推力可达20000N.s/Kg，而且特殊工质不像传统推进剂那般笨重，可以大量携带，这就能大大提高飞船的续航能力。
3、技术效果及优点
(1)理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限，这在深太空探测中具有重要意义。
(2)采用无毒推进器，本身不会造成对大气环境污染。
(3)采用光纤激光推进系统可以大大缩小火箭体积，不需要携带大量的推进剂，大气模式下以气道吸入的空气作为工质，火箭模式中光船自身携带特殊工质。
(4)提高飞船寿命，在太空中通过太阳能帆板来提供电能，再转换成光纤激光，通过加热工质喷发气体产生推力，使得深空探测寿命大大上升。
附图说明
图1是光纤激光自推进宇宙光船推进系统原理框图
图中所示：1、功率控制装置；2、光纤激光发射装置；3、聚光装置；4、特殊工质；5、喷口
具体实施方式
①实物缩尺模型：利用缩尺模型，设计缩比光船和激光推进系统，进行原理实验，获得实验数据，验证、修正理论研究结果。
②计算机仿真：利用计算机软件仿真激光推进过程，获取各种模式下激光推进器的比冲、动量耦合系数等参数。
⑧设计原理实验：利用缩尺模型，设计缩比光船和激光推进系统，进行原理实验，获得实验数据，验证、修正理论研究结果。
运用理论设计和试验及计算机仿真的结果，总结分析光纤激光器激光推进技术中现有的成熟技术和遇到的技术问题，并对存在技术问题的解决方法进行研究。
Claims (2)
1.光纤激光自推进宇宙光船推进系统，由功率控制装置、光纤激光发射装置、聚光装置、特殊工质、喷口构成。其特征是，功率控制装置控制光纤激光发射装置，通过聚光装置与特殊工质反应，喷口用来喷出气体。
2.根据权利要求1所述光纤激光自推进宇宙光船控制系统，其特征在于：功率控制装置控制光纤激光的功率大小，通过光纤激光发射装置发射出激光组束，经过聚光装置在反应腔中心加热特殊工质，迅速产生高温高压气体从喷口喷出，产生推力。聚光装置是为了将激光组束在反应腔中心聚焦，类似于凸透镜的作用，将能量在反应腔中心聚焦可以避免激光产生的高温破坏反应腔。特殊工质是一种遇高温可以迅速气化并膨胀的无污染晶体。
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2017
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