大氣呼吸式雷射發動機裝置的製作方法

2023-05-22 21:59:26

專利名稱：大氣呼吸式雷射發動機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及發動機及遠距離無線能源傳輸領域，特指利用聚焦後的高能雷射與空氣相互作用導致的光致擊穿，形成的等離子體爆炸衝擊波作為推力來維持發動機運轉的的雷射發動機裝置。
背景技術：
傳統發動機由於必須使用燃料，因此其使用受到燃料的制約。例如飛機或者火箭， 其燃料的消耗非常巨大，大大降低了這些運載工具的有效載重。而且傳統發動機在低氣壓或者無氧環境下，將無法正常工作。而且，燃料的燃燒會排放出大量的有害氣體，不利於環保。1974 年 A Kantrowitz [A. Kantrowitz. Propulsion to orbit by ground-based lasers [J]. Astronautics and Aeronautics, 1972，10 (5) : 74-76 提出了利用雷射推進技術來發射小型衛星的概念，其原理是在小型衛星上安裝推進系統，該推進系統的核心工作部件是一個或者一組拋物型反射面，拋物型反射面用來聚焦來自地面的雷射束，使焦點附近的空氣發生等離子爆炸，從而對反射面形成一個反向推力。之後關於很多研究人員做了大量關於雷射推進方面的基礎研究，利用各種類型的雷射器作為能源。當採用脈衝雷射作為能源時，雷射束與工作介質的作用會產生很大的瞬時加速度，其運行過程不平穩，且很難控制方向，而且這種類型的推進系統只能產生沿拋物型反射面軸向的反推力，所以其應用會受到很大限制。國內周新龍在1999年申報了一種雷射動力發動機專利，專利號 99206057。該實用新型專利的原理是利用雷射點燃燃燒室中的空氣形成負壓，從而靠大氣壓強來推動活塞做工。首先，雷射燃燒空氣後能否形成真空國內外還未見報導，其次，利用大氣壓產生的推力對發動機來說不夠大。花銀群等人在2004年申報了一種無燃料雷射發動機專利，專利號=200410014435，其原理是利用高能脈衝雷射照射在工作介質，使工作介質等離子化，等離子體爆炸形成衝擊波推動活塞做功。在現有的技術中，其存在的技術弊端為
(1)採用平行雷射束，由於雷射束沒有聚焦，要產生等離子爆轟波，其功率密度必須足夠大；
(2)將工作介質密封於燃燒室內，使工作介質可以循環使用，由於雷射輻射工作介質產生的等離子體溫度高達20000k，對其燃燒室的材質要求極高；
(3)只能採用脈衝雷射工作，不能採用連續雷射工作；
(4)採用接觸式電子按鈕開關來控制雷射器，以確保發動機的正常工作，由於採用導線方式來控制雷射器的工作狀態，因此，無法實現遠距離或者高空輸送雷射能量，沒有發揮雷射作為一種優秀的遠距離傳輸能量的優勢。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用聚焦後的高能雷射與空氣相互作用形成的等離子爆炸衝擊波作為推力的發動機。
該發動機由高能雷射發生器，傳感器系統和曲柄連杆機構等部分構成。高能雷射束經活塞端面聚焦後，與空氣相互作用，形成等離子體爆炸衝擊波，產生對活塞端面的反向推力，通過曲柄連杆機構，將活塞的軸向運動轉化為曲軸的轉動使活塞產生軸向轉動，從而輸出扭矩，傳感器系統用來確保發動機的持續高效運轉。為了實現將高能平行雷射束反射聚焦，活塞端面設計成拋物型反射面。高能量雷射發生器發出的平行雷射束由活塞的拋物型反射面聚焦，使焦點附近的空氣擊穿，產生等離子體爆炸衝擊波，從而反作用於活塞表面，對活塞形成反向推力。高能量脈衝雷射發生器發出的雷射可以為長脈衝雷射，也可以為短脈衝雷射。噴嘴設置於氣缸壁的一側，噴嘴的作用是使氣缸內保持有一定量的空氣，並且用來冷卻氣缸。為了能使發動機能持續高效運轉，必須保證活塞在做功行程時，高能量雷射發生器處於開啟狀態；而在活塞返回時，雷射器處於關閉狀態。由氦氖雷射傳感器和反射鏡組組成的傳感器系統來控制高能雷射發生器的工作狀態。反射鏡組安裝於曲軸上，由一個雙反鏡和單反鏡組成，雙反鏡的一個反射面和單反鏡的反射面在同一平面內。氦氖雷射傳感器能發射兩束氦氖雷射，並且其距離大於雙反鏡和單反鏡的寬度，以確保兩束氦氖雷射不會同時照射在同一個反射鏡上而引起發出錯誤觸發信號。當活塞處於上止點時，雙反鏡的一個反射面和單反鏡的反射面的反射方向都指向氦氖雷射傳感器，此時傳感器系統接收到兩束反射光，來開啟高能量脈衝雷射發生裝置；當活塞運動到下止點時，雙反鏡的另一個反射面的反射方向指向氦氖雷射傳感器，而單反鏡的非反射面不反射雷射，這時，傳感器系統給高能量雷射發生裝置發出脈衝信號，高能量雷射發生裝置停止發射雷射。如此循環，從而使發動機能夠持續高效運轉。本發明的優點是
1)無需任何燃料，只要在環境中有空氣即可，在缺氧或者低壓環境下同樣可以正常運轉，對環境無任何汙染；
2)通過該發動機可以將軸向推力轉換成任何方向的推力，而且可以使發動機的運行過程平穩；
3)發動機裝置和雷射發射裝置分離，其分離距離可以長達幾十公裡甚至幾百公裡，可以遠距離將雷射能量轉化為發動機能量。；
4)發動機裝置結構簡單，可以大大簡化製造工藝。


圖1為本發明基於雷射衝擊波的二衝程發動機的結構示意圖。圖中，1 高能量雷射發生器，2 高能雷射束，3 噴嘴，4 活塞，5 氣缸，6 連杆，7 曲軸，8 雙反鏡，9 單反鏡，10 氦氖雷射束，11 氦氖雷射傳感器。
具體實施例方式以下結合

本發明提出的具體實施方式
，但不用來限制本發明。其工作過程如下首先，噴嘴3向氣缸5內吹空氣，傳感器系統處於工作狀態，使曲軸7轉動，帶動活塞4作軸向運動，當活塞4運動到上止點時，雙反鏡8的一個反射面和單反鏡9的反射面的法向都指向氦氖雷射傳感器，此時二束氦氖雷射10分別照射在雙反鏡 8的一個反射面和單反鏡9的反射面上，傳感器系統收到兩束反射光，此時發出一個觸發信號給高能量雷射發生器1，打開高能量雷射發生器1，高能量雷射發生器1發射出高能雷射束2，經活塞4的拋物型反射聚焦面聚焦後，將其焦點附近的空氣擊穿，形成等離子爆炸衝擊波，推動活塞4沿軸向運動，由活塞4，氣缸5，連杆6和曲軸7組成的曲柄連杆機構，將活塞4的軸向運動轉換成曲軸7的轉動，輸出扭矩，當活塞4運動到下止點時，雙反鏡8和單反鏡9剛好轉過180度，雙反鏡8的另一個反射面反射氦氖雷射10，而單反鏡9的背面不反射氦氖雷射，此時傳感器系統收到一束反射光，此時發出一個脈衝信號關閉高能量雷射發生器1，這個階段依靠轉動慣性，直至活塞4再一次到達上止點時，繼續下一個循環運動，如此重複，實現發動機的持續高效運轉。
權利要求
1.大氣呼吸式雷射發動機裝置，其特徵在於，包括高能量脈衝雷射發生器(1)、噴嘴 (3)、活塞(4)、氣缸(5)、連杆(6)、曲軸(7)、雙反鏡(8)、單反鏡(9)和氦氖雷射傳感器(11); 所述活塞(4)的端面為拋物型反射面，所述高能量脈衝雷射發生裝置(1)發出的平行雷射束對準活塞(4)的拋物型聚焦曲面；所述噴嘴(3)設置於氣缸(5)壁的一側向氣缸(5)內噴空氣；所述活塞(4)、氣缸(5)、連杆(6)和曲軸(7)組成曲柄連杆機構，活塞(4)指向雷射器一側的端面為拋物型聚焦面；所述雙反鏡(8)和單反鏡(9)安裝於曲軸上，所述雙反鏡(8) 是雙面反射鏡，單反鏡(9)是單面反射鏡，所述雙反鏡(8)的一個反射面和單反鏡(9)的反射面在同一平面內，當活塞位於上止點時，雙反鏡(8)—個反射面和單反鏡(9)的反射面的反射方向指向氦氖雷射傳感器(11)，氦氖雷射傳感器(11)發出的兩束氦氖雷射分別指向雙反鏡(8)和單反鏡(9)，當活塞位於下止點時，雙反鏡(8)的另一個反射面的反射方向指向氦氖雷射傳感器(11)；氦氖雷射傳感器(11)發出的兩束氦氖雷射距離大於雙反鏡的寬度，氦氖雷射傳感器(11)與高能量脈衝雷射發生器(1)通過數據線連接。
2.根據權利要求1所述的大氣呼吸式雷射發動機裝置，其特徵在於，所述高能量脈衝雷射發生器(1)發出的雷射為長脈衝雷射或短脈衝雷射。
全文摘要
本發明涉及大氣呼吸式雷射發動機裝置，主要用於需要遠距離傳輸能源的領域。實施本發明的裝置由高能雷射系統、控制系統和發動機系統組成。高能雷射系統輸出平行雷射束，經活塞的拋物型反射面聚焦後，跟空氣相互作用，形成等離子體爆炸衝擊波，推動活塞沿軸向運動；控制系統用來控制高能雷射發生裝置的正確開啟與關閉狀態；發動機系統各組件用來將活塞的軸向運動轉化為曲軸的旋轉運動，以輸出功率。
文檔編號F03H1/00GK102230456SQ20111016927
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月22日 優先權日2011年6月22日
發明者姜銀方, 張朝陽, 張永康, 戴峰澤, 管海兵, 錢曉明 申請人:江蘇大學