雷射推進裝置的製作方法

2023-05-12 23:49:56 2

專利名稱：雷射推進裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射推進領域，特別涉及一種雷射推進裝置。
背景技術：
雷射推進是上世紀70年代由美國學者Kantrowitz提出的一種新概念推進技術， 其基本原理是使用強雷射來輻照燒蝕火箭尾部的推進劑，產生遠遠超越燃燒溫度的等離子 體，高溫高壓的雷射等離子體以極高的速度噴射，產生強大的反衝作用，從而推動火箭前 進。在該領域中，比衝(產生單位衝量所消耗的推進劑的質量，工程學中，為了方便起見，常 在比衝的國際單位N， s/kg的分母上乘以重力加速度g，所以比衝的單位通常為秒)是衡 量雷射推進的燃料利用率的最重要的技術指標。由於雷射等離子體推進理論上能產生比傳 統的化學燃料火箭高几十倍的比衝，同時還具有低成本、環保、安全等特點，因此得到研究 人員的廣泛關注。然而，以往的實驗研究通常採用雷射脈衝直接輻照固體推進劑產生高速 的等離子體噴流，其存在的問題是由於固體推進劑存在熱傳導作用，因此在該作用下一部 分固體推進劑被汽化或濺射以非常低的速度脫離了固體推進劑的表面，造成一部分質量損 失，所獲得的比衝比理論值小很多。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術中存在的缺點，通過雷射脈衝輻照推進劑使 其基本上轉換為等離子體，從而提供一種實現高比衝激光推進的裝置。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的 根據本發明的一個方面，提供一種雷射推進裝置，包括雷射器、推進劑供給裝置、 雷射聚焦設備以及燃燒室；其中
所述雷射器用於產生雷射； 所述雷射聚焦設備用於聚焦所述雷射到所述推進劑上； 所述推進劑供給裝置用於提供所述推進劑，並且在雷射輻照區域內的所述推進劑 基本上轉換為等離子體； 所述燃燒室用於將所述等離子體的能量傳送給光船。 根據本發明的第二個方面，其中所述推進劑為薄膜推進劑或輕制泡沫材料推進 劑，其厚度小於或等於雷射脈衝的燒蝕深度。 根據本發明的第三個方面，其中所述推進劑為固體顆粒或團簇推進劑。 根據本發明的第四個方面，其中所述薄膜推進劑或輕制泡沫材料推進劑採用的推
進劑供給裝置為帶式或盤式傳送裝置。 根據本發明的第五個方面，其中所述固體顆粒或團簇推進劑採用的推進劑供給裝 置為噴嘴，所述噴嘴的噴射頻率同步於雷射脈衝的頻率。 根據本發明的第六個方面，其中所述雷射聚焦設備和燃燒室可以為一體化的。
本發明採用的薄膜推進劑、輕制泡沫材料推進劑、固體顆粒或團簇推進劑的面密
3度均比較低，這裡所說的面密度是物質的體密度乘它的厚度(物體單位面積所含有的物質
的容量)，也就是說同一種材料，厚度越小，面密度越低。而這個面密度是和物體的燒蝕深度
直接相關聯的，物質的面密度越低，材料被燒蝕的越充分，熱傳導和濺射的影響越小。 與現有雷射推進裝置相比，本發明的雷射推進裝置能夠避免雷射燒蝕固體推進劑
時伴隨的熱傳導以及材料濺射造成的推進劑損失，因此能夠大幅度提高雷射推進的實際比
衝，延長光船在太空飛行的壽命。


以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中 圖1是根據本發明採用薄膜推進劑的一個實施例的雷射推進裝置示意圖； 圖2是根據本發明採用薄膜推進劑的另一個實施例的雷射推進裝置示意圖； 圖3是根據本發明採用固體顆粒或團簇推進劑的一個實施例的雷射推進裝置示 意圖； 圖4a和圖4b分別是用於驗證本發明效果的實驗原理圖和實物圖； 圖5是根據本發明採用盤式傳送裝置的一個實施例的雷射推進裝置示意圖。
具體實施方式

實施例1 : 圖1是根據本發明採用薄膜推進劑的一個實施例的雷射推進裝置示意圖，該裝置 包括脈衝雷射器101，拋面鏡102，燃燒室106和帶式傳送裝置107 ;其中所述帶式傳送裝置 用於不間斷地提供薄膜推進劑103，所述薄膜推進劑位於拋面鏡102頂端的開口中，並位於 拋面鏡102的焦點處，使得所述拋面鏡能夠將雷射聚焦到該薄膜推進劑上。優選地，薄膜推 進劑的厚度小於或等於雷射脈衝的燒蝕深度，使雷射可以完全穿過，以便當雷射輻照其上 時該薄膜推進劑基本上被完全燒蝕；另外薄膜推進劑厚度小、橫向熱傳導也比較低，這樣在 雷射照射區域薄膜推進劑不會由於熱擴散造成質量損失。在本發明中，所述薄膜推進劑可 以是1 3 ii m的CH膜，也可以是厚度《1 P m的金屬膜，例如Al膜。 如圖1所示，由脈衝雷射器101輸出的高功率雷射脈衝經過拋面鏡102聚焦到薄
膜推進劑103上，在雷射輻照下薄膜推進劑103轉換為等離子體。產生的一部分等離子體
104向光船外噴出，而另一部分反向運動的等離子體105衝擊進入燃燒室106。這樣根據動
量守恆定律通過碰撞等離子體基本上可以將其攜帶的動量轉移給光船。 對於本領域的技術人員應該理解，本發明中的雷射器既可以搭載在光船上，也可
以從地面或空間站向光船發射雷射；所述拋面鏡僅為示例性的，其它能夠會聚雷射的元件
或設備也可以使用；所述拋面鏡的開口大小不僅和光船的體積相匹配，而且也應大於雷射
光束的直徑。此外，在本發明中，穿透薄膜推進劑的雷射能量不足以引起對燃燒室的燒蝕，
並且等離子體在與燃燒室壁面相遇時溫度和密度已經下降至不足以對燃燒室結構造成損
傷的程度 實施例2 : 圖3是根據本發明採用固體顆粒或團簇推進劑的一個實施例的雷射推進裝置示 意圖。與實施例1的雷射推進裝置不同的是，本實施例採用固體微粒或團簇推進劑303代替
4薄膜推進劑103，並且採用噴嘴307代替帶式傳送裝置107。如圖3所示，固體顆粒或者團 簇推進劑303利用噴嘴307噴出。在該裝置工作過程中，由於固體微粒或團簇面密度低、對 雷射的吸收效率高，不會形成臨界密度面，也不會阻擋雷射燒蝕，並且顆粒間距離較大，因 此不會由於熱擴散造成能量損耗，從而使固體微粒或團簇推進劑基本上轉化為等離子體， 進而獲得較高的比衝。另外，噴嘴307的噴射頻率應同步於雷射脈衝的頻率，以保證在雷射 到達時，推進劑303處於雷射的焦點上。
實施例3 : 圖5是根據本發明採用盤式傳送裝置的一個實施例的雷射推進裝置示意圖。與實 施例1的雷射推進裝置不同的是，本實施例採用輕質泡沫材料推進劑(未示出)代替薄膜 推進劑103，並且採用盤式傳送裝置501代替帶式傳送裝置107。所述輕質泡沫材料推進劑 的厚度小於或等於雷射的燒蝕深度。在該裝置工作過程中，盤式傳送裝置501不斷輸送輕 質泡沫材料推進劑至開口處，並且當雷射照射到該推進劑時其基本上完全被燒蝕，並轉化 為等離子體推動光船。在本發明中，所述輕質泡沫材料推進劑可以是市場上常見的主要成 分為聚苯乙烯的泡沫材料。另外，所述輕質泡沫材料推進劑既可以採用盤式傳送裝置也可 以採用圖1所示的帶式傳送裝置作為其推進劑供給裝置，同樣，上述兩種傳送裝置也適用 於薄膜推進劑的情況。
實施例4: 圖2是根據本發明採用薄膜推進劑的另一個實施例的雷射推進裝置示意圖。和實 施例1相比，本實施例的拋面鏡和燃燒室為一體化設計。如圖2所示，在拋面鏡202內具有 一固定裝置，例如金屬薄片，在所述金屬薄片中央開有一小孔或縫隙，使得位於該小孔或縫 隙中的薄膜推進劑203處於所述拋面鏡的焦點處；所述薄膜推進劑可以採用實施例1中的 傳送裝置方式所提供。在該裝置工作過程中，由雷射器201輸出的高功率雷射脈衝經過拋 面鏡202聚焦到薄膜推進劑203上，產生的一部分等離子體204向光船外噴出，另一部分反 向運動的等離子體205通過衝擊拋面鏡202達到推進光船的目的。 採用這種拋面鏡和燃燒室的一體化設計不僅使光船結構更加穩固，也減輕了光船 重量，提高了安全性。此外，這種一體化設計也並不只針對採用薄膜推進劑的雷射推進裝 置，對於輕質泡沫材料推進劑和固體顆粒或者團簇推進劑也同樣適用。 為了驗證本發明的效果，對本發明的雷射推進裝置進行了簡單的原理性實驗驗 證。 參見圖4a和圖4b，高功率雷射脈衝401聚焦到3 y m厚的聚醯亞胺薄膜402上， 該薄膜瞬間被燒蝕成等離子體， 一部分等離子體403穿過小孔404噴射到單擺405的表面 上。根據單擺的擺動角度，推算出這部分等離子體403的動量；燒蝕的聚醯亞胺薄膜402的 質量可以由其體積和密度計算出來，這樣即可計算出比衝值。其結果是在聚焦光斑的直徑 為0. 3mm時，比衝為1520s。我們還採用雷射等離子體相互作用的大型流體力學模擬程序 Medl03對實驗進行了數值模擬計算，得到了與上述實驗相符合的結果。另外，如果降低小孔 和聚焦光斑的直徑，並保持二者相同，可以進一步提高比衝值。模擬程序計算出當光斑直徑 為0. lmm的時候，比衝可高達7237s。上述結果均說明了採用本發明裝置帶來的有益效果。
儘管參照上述的實施例已對本發明作出具體描述，但是對於本領域的普通技術人 員來說，應該理解可以基於本發明公開的內容進行修改或改進，並且這些修改和改進都在
5本發明的精神以及範圍之內,
權利要求
一種雷射推進裝置，包括雷射器、推進劑供給裝置、雷射聚焦設備以及燃燒室；其中所述雷射器用於產生雷射；所述雷射聚焦設備用於聚焦所述雷射到所述推進劑上；所述推進劑供給裝置用於提供所述推進劑，並且在雷射輻照區域內的所述推進劑基本上轉換為等離子體；所述燃燒室用於將所述等離子體的能量傳送給光船。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述推進劑為薄膜推進劑或輕制泡沫材 料推進劑，其厚度小於或等於雷射脈衝的燒蝕深度。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述推進劑為固體顆粒或團簇推進劑。
4. 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述薄膜推進劑或輕制泡沫材料推進劑 採用的推進劑供給裝置為帶式或盤式傳送裝置。
5. 根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述固體顆粒或團簇推進劑採用的推進 劑供給裝置為噴嘴，所述噴嘴的噴射頻率同步於雷射脈衝的頻率。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述雷射聚焦設備和燃燒室為一體化的。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述燃燒室位於所述雷射聚焦設備的外部。
全文摘要
本發明公開了一種雷射推進裝置。該裝置包括雷射器、推進劑供給裝置、雷射聚焦設備以及燃燒室；其中所述雷射器用於產生雷射；所述雷射聚焦設備用於聚焦所述雷射到所述推進劑上；所述推進劑供給裝置用於提供所述推進劑，並且在雷射輻照區域內的所述推進劑基本上轉換為等離子體；所述燃燒室用於將所述等離子體的能量傳送給光船。該裝置能夠避免雷射燒蝕固體推進劑時伴隨的熱傳導以及材料濺射造成的推進劑損失，因此能夠提高雷射推進的實際比衝。
文檔編號F02K9/95GK101737201SQ200810225519
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月4日 優先權日2008年11月4日
發明者張 傑, 張翼, 魯欣 申請人:中國科學院物理研究所