CN111946574A - 一种激光诱导射频放电等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光诱导射频放电等离子体推进器，包括：外电极、绝缘层、内电极、外电极射频电源、内电极射频电源、传动轴以及步进电机；外电极、绝缘层和内电极依次同轴心设置，组合成一个双电极加速系统；外电极射频电源通过传动轴与外电极相连，为外电极提供加速所需的高频电压；内电极射频电源通过传动轴与内电极相连，为内电极提供加速所需的高频电压；步进电机通过传动轴与介质靶材相连，带动介质靶材以恒定速度旋转；双电极加速系统与介质靶材之间形成交变电场；介质靶材在脉冲激光的作用下产生激光等离子体，激光等离子体在交变电场中得到多次加速后喷出。本发明可有效实现对激光等离子体的多次加速，对激光等离子体推进技术有重要意义。

Description

一种激光诱导射频放电等离子体推进器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种激光诱导射频放电等离子体推进器。

背景技术

微型航天器的发展一直是世界各国航空航天领域的研究热点，微推进技术可以用在在轨卫星的姿态调整与微型航天器的轨道控制。虽然在过去，许多微型航天器都没有推进系统，但未来的微型航天器将需要强大的推进能力，以提供高度的机动性。目前微型航天器的可行性研究表明，对于质量小于100千克的微型航天器，其推进动力功率小于100瓦。为了达到更大的推进功率，已经提出了用于微型航天器应用的各种潜在的推进系统，如离子推进器、场发射推进器、脉冲等离子体推进器、汽化液体推进器等。但这些装置大多结构复杂，还会进一步增加微型航天器的质量。

随着紧凑型、大功率激光系统的快速发展，小型机载激光等离子体推进器正处于重要的发展阶段。新开发的激光等离子体推进器的一个优点是使用固体材料作为推进剂。相比于传统的液体或气体推进剂的推进器，激光等离子体推进系统并不需要储液罐、阀门或管道系统。因此，激光等离子体推进器可以具有更加紧凑、更小质量的设计。这种推进器利用强激光与物质相互作用产生高速等离子体的喷射，根据动量守恒定律，进而产生反作用力作为推力源。近年来，如何提高激光等离子体的喷射速度成为了航空航天领域的研究热点。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决如何提高激光等离子体的喷射速度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种激光诱导射频放电等离子体推进器，包括：外电极1、绝缘层2、内电极3、外电极射频电源4、内电极射频电源5、传动轴7以及步进电机8；

所述外电极1、绝缘层2和内电极3依次同轴心设置，组合成一个双电极加速系统；

所述外电极射频电源4通过所述传动轴7与所述外电极1相连，为所述外电极1提供加速所需的高频电压；

所述内电极射频电源5通过所述传动轴7与所述内电极3相连，为所述内电极1提供加速所需的高频电压；

所述步进电机8通过所述传动轴7与所述介质靶材6相连，带动介质靶材以恒定速度旋转；所述双电极加速系统与所述介质靶材之间形成交变电场；

所述介质靶材在脉冲激光的作用下产生激光等离子体，所述激光等离子体在所述交变电场中得到多次加速后喷出。

可选地，该等离子体推进器还包括：聚焦透镜10；所述聚焦透镜10用于将脉冲激光聚焦到所述介质靶材。

可选地，该等离子体推进器还包括：电极支架12、支杆13、滑块14、精密转轴15和移动平台16；

所述步进电机8通过所述支杆13的一部分固定在所述移动平台16的一侧；

所述电极支架12的上端固定所述双电极加速系统；所述电极支架12的下端通过所述支杆13的另一部分固定在所述滑块14上；所述滑块14与所述精密转轴15相互嵌套并且被放置在所述移动平台16内，通过旋转所述精密转轴15可以精确调节所述内加速电极3与所述介质靶材之间的距离。

可选地，所述外电极1、绝缘层2和内电极3的同轴位置具有一个电极孔11，所述多次加速后的激光等离子体通过所述电极孔11喷出。

可选地，所述外电极1与内电极3为铜或其他高导电性金属材料。

可选地，所述外电极射频电源4与内电极射频电源5可以相互独立的设置交变电压的大小和频率。

可选地，所述介质靶材既可以为导电的金属材料也可以为绝缘的其他材料。

可选地，所述传动轴7为高导电性的金属材料且与所述介质靶材、所述步进电机8以及大地接触。

可选地，所述双电极加速系统的频率处于10kHz到81MHz之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种激光诱导射频放电等离子体推进器，采用激光-电力混合动力的设计，由于激光等离子体具有较高的初速度，利用外加电极对等离子体施加交变电场，可以实现对激光等离子体的多次加速，获得更高的比冲。此外，双电极的射频放电的引入即避免了单电极直流放电对激光等离子体的反向牵引，可以实现对激光等离子体的再次加速。

附图说明

图1为本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的工作示意图；

图2为本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的整体结构示意图；

图3为本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的侧视图；

图4为本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的俯视图；

图5为本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的正视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为外电极，2为绝缘层，3为内电极，4为外电极射频电源，5为内电极射频电源，6为介质靶材，7为传动轴，8为步进电机，9为脉冲激光，10为聚焦透镜，11为电极孔，12为电极支架，13为支杆，14为滑块，15为精密转轴，16为移动平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种利用交变电场多次加速激光等离子体的推进器。本发明结合激光等离子体的电磁流体的特性，利用射频电源为内电极和外电极分别供给高频电压，产生相应的交变电场以此来达到多次加速激光等离子体。双电极射频放电的引入即避免了单电极直流放电对激光等离子体的反向牵引，还实现了激光等离子体的再次加速。利用激光等离子体的产生机制，可以灵活选取介质靶材的材质。其中，步进电机通过传动轴带动靶材以一恒定速度旋转，避免激光多次入射同一位置产生凹坑。步进电机通过支杆固定在移动平台的一侧，双电极由绝缘的电极支架和支杆固定在一滑块上，滑块与精密转轴相互嵌套并放置在移动平台内，通过旋转转轴可以精确调节内电极与介质靶材的距离，进而调整电场强度的大小。本发明设备简单，操作简便，可有效实现对激光等离子体的多次加速，对激光等离子体推进技术具有重要意义。

针对激光等离子体加速装置以及现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光等离子体的加速装置，用于实现对激光等离子体的多次加速，提高激光等离子体的喷射速度，进而提高激光等离子体对介质靶材的推进力。

本发明提供了一种激光诱导射频放电等离子体推进器，它由外电极、绝缘层、内电极、外电极射频电源、内电极射频电源、介质靶材与步进电机构成主体部分。

其中，外电极、绝缘层、内电极为圆环形设计，依次同轴心设置，并利用绝缘螺丝固定，组合成双电极射频放电系统。外电极射频电源与内电极射频电源分别为外电极与内电极供给加速电压，在内电极与靶材之间形成交变电场，则由于电场力的作用，等离子体在该交变电场下得到多次加速。等离子体通过内电极后在外电极与内电极之间的电场力的作用下可以得到进一步的加速，最终从电极孔喷出。外电极射频电源与内电极射频电源的电压和频率都可以根据等离子体参数来进行修改。内外电极可以采用高导电性的铜材料，绝缘层可以采用聚四氟乙烯等绝缘性良好的高分子聚合物，介质靶材既可以采用如铜、铝等金属材料，也可以采用如氧化铝等绝缘材料。

进一步地，所述介质靶材通过传动轴与步进电机相连，步进电机以一恒定速度带动介质靶材旋转，以避免激光多次入射介质靶材同一位置，造成凹坑。通过调节步进电机的速度可以控制激光在介质靶材上的作用间隔。

进一步地，所述双电极射频系统通过电极支架固定，并且电极支架通过支杆被固定在一滑块上。电极支架选用高强度绝缘性好的聚四氟乙烯或有机玻璃材质。

进一步地，所述滑块与精密转轴嵌套在一起，被放置在移动平台内。通过旋转精密转轴，可以精确调节电极板与介质靶材的距离，进而调节电场强度的大小。

为了进一步提高激光等离子体推进器的推进性能，本发明提供了一种激光诱导射频放电的等离子体推进器，特别适用于对激光等离子体进行多次加速。

图1示出了本发明所提供推进器的工作示意图。其中，1为外电极，2为绝缘层，3为内电极，4为外电极射频电源，5为内电极射频电源，6为介质靶材，7为传动轴，8为步进电机，9为脉冲激光，10为聚焦透镜，11为电极孔。

其中，脉冲激光可以由Nd:YAG(单脉冲能量约为100mJ，半高全宽为10ns，波长为1064nm)或CO₂(单脉冲能量约为140mJ，半高全款为90ns，波长为10600nm)等高峰值功率的激光器产生，然后被对应波长的聚焦透镜聚焦在介质靶材上，介质靶材受热发生相变、蒸发进而在表面产生高温高密的等离子体。等离子体由于内部具有压力梯度，会以椭球形沿靶材法线方向向电极膨胀。

控制激光器的触发信号与内电极射频电源、外电极射频电源在时间上同步，保证在激光到来时内电极与外电极具有对应的加速电压。在激光的作用过程中，电子由于质量较小首先从介质靶材表面脱离并沿介质靶材法线方向移动，离子由于质量较大，速度较慢。为了加速整个等离子体，内电极此时应该加负电压产生由介质靶材指向内电极方向的电场，以加速落后于电子的离子。在该电场下，离子逐渐加速，电子逐渐减速。随着时间推移，离子最终超过电子，进而在等离子体内部形成与该电场反向的内建电场。由于该内建电场的存在导致此时对于离子的加速效果显著下降，此时应当转变内电极所加电压为正电压，以此来产生由内电极指向介质靶材方向的电场，以加速落后于离子的电子。如此往复，在内电极与介质靶材之间的交变电场下，实现对激光等离子体的多次加速。

当激光等离子体到达内电极时一部分会被内电极吸收，剩余部分会沿电极孔继续向前方膨胀。为了避免内电极对剩余等离子体的反向牵引，对外电极也加上交变电压，等离子体在外电极与内电极之间的交变电场下再次得到加速，最终从电极孔喷出。

图2示出了本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的整体结构。其中，12为电极支架，13为支杆，14为滑块，15为精密转轴，16为移动平台。

图3、图4和图5分别示出了本发明提供的激光诱导射频放电的等离子体推进器的侧视图、俯视图和正视图。其中，外电极、绝缘层、内电极通过绝缘螺丝同轴心固定并被固定在电极支架上，电极支架通过支杆被固定在滑块上。滑块与精密转轴相互嵌套并放置在移动平台内部，通过旋转精密转轴可以精确调节内电极与介质靶材的距离，进而控制电场强度的大小。步进电机通过传动轴与介质靶材相连，并带动介质靶材以恒定的速度旋转，避免脉冲激光多次入射介质靶材同一点，产生凹坑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，包括：外电极(1)、绝缘层(2)、内电极(3)、外电极射频电源(4)、内电极射频电源(5)、传动轴(7)以及步进电机(8)；

所述外电极(1)、绝缘层(2)和内电极(3)依次同轴心设置，组合成一个双电极加速系统；

所述外电极射频电源(4)与所述外电极(1)相连，为所述外电极(1)提供加速所需的高频电压；

所述内电极射频电源(5)与所述内电极(3)相连，为所述内电极(1)提供加速所需的高频电压；

所述步进电机(8)通过所述传动轴(7)与所述介质靶材(6)相连，带动介质靶材以恒定速度旋转；所述双电极加速系统与所述介质靶材之间形成交变电场；

所述介质靶材在脉冲激光的作用下产生激光等离子体，所述激光等离子体在所述交变电场中得到多次加速后喷出。

2.根据权利要求1所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，还包括：聚焦透镜(10)；

所述聚焦透镜(10)用于将脉冲激光聚焦到所述介质靶材。

3.根据权利要求1所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，还包括：电极支架(12)、支杆(13)、滑块(14)、精密转轴(15)和移动平台(16)；

所述步进电机(8)通过所述支杆(13)的一部分固定在所述移动平台(16)的一侧；

所述电极支架(12)的上端固定所述双电极加速系统；所述电极支架(12)的下端通过所述支杆(13)的另一部分固定在所述滑块(14)上；所述滑块(14)与所述精密转轴(15)相互嵌套并且被放置在所述移动平台(16)内，通过旋转所述精密转轴(15)可以精确调节所述内加速电极(3)与所述介质靶材之间的距离。

4.根据权利要求1所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述外电极(1)、绝缘层(2)和内电极(3)的同轴位置具有一个电极孔(11)，所述多次加速后的激光等离子体通过所述电极孔(11)喷出。

5.根据权利要求1至4任一项所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述外电极(1)与内电极(3)为铜或其他高导电性金属材料。

6.根据权利要求1至4任一项所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述外电极射频电源(4)与内电极射频电源(5)可以相互独立的设置交变电压的大小和频率。

7.根据权利要求1至4任一项所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述介质靶材既可以为导电的金属材料也可以为绝缘的其他材料。

8.根据权利要求1至4任一项所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述传动轴(7)为高导电性的金属材料且与所述介质靶材、所述步进电机(8)以及大地接触。

9.根据权利要求1至4任一项所述的激光诱导射频放电等离子体推进器，其特征在于，所述双电极加速系统的频率处于10kHz到81MHz之间。

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