專利名稱：低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可實(shí)現(xiàn)低閾值等離子體點(diǎn)火的吸氣式激光推力器。
背景技術(shù)：
隨著人類探索和利用太空范圍的大大拓展，未來(lái)的空間探測(cè)越來(lái)越需要航天推進(jìn)技術(shù)的不斷突破和創(chuàng)新。傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進(jìn)技術(shù)由于受工質(zhì)燃燒溫度的限制 G000K-5000K)，比沖小于500s，發(fā)射重量中燃料占了很大比例，有效載荷比僅約為1. 5%, 發(fā)射成本高達(dá)10000美元/kg，不僅造成了能源浪費(fèi)而且產(chǎn)生了巨大的污染，因此尋求新型的推進(jìn)方式已經(jīng)成為航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1972年，美國(guó)學(xué)者Kantrowitz提出了利用地基或空基激光遠(yuǎn)距離傳輸能量將小衛(wèi)星或飛行器送入近地軌道的設(shè)想，由此開(kāi)創(chuàng)了激光推進(jìn)研究的新領(lǐng)域。吸氣式是激光推進(jìn)的一種重要驅(qū)動(dòng)方式，它利用空氣作為工作物質(zhì)，將激光脈沖聚焦后擊穿空氣，形成等離子體點(diǎn)火，高溫、高壓的等離子體團(tuán)以爆轟波/爆燃波的形式迅速膨脹，并推動(dòng)激光推力器
、產(chǎn).、rr.作為吸氣式激光推進(jìn)研究中的重要組成部分，激光推力器技術(shù)研究起著舉足輕重的作用，國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)在激光推力器概念設(shè)計(jì)以及利用縮比模型進(jìn)行性能測(cè)試和飛行演示方面做了大量卓有成效的工作。最為典型的激光推力器代表就是美國(guó)倫塞勒工學(xué)院的Myrabo等人提出的光船模型和德國(guó)航空航天局技術(shù)物理研究所的Bohn等人研究的鈴形激光推力器，這些推力器的核心部件都是一個(gè)可以同時(shí)起到光學(xué)聚焦作用的噴管，圖1 所示即為現(xiàn)有鈴形激光推力器的剖面示意圖(參考文獻(xiàn)W. L. Bohn, W. 0. Schall. "Laser propulsion activities in Germany，，，in Beamed EnergyPropulsion :First International Symposium, A. V. Pakhomov, ed. U003)，p. 79.)。當(dāng)入射激光脈沖照射到高反射率的噴管壁面，噴管壁面將激光脈沖聚焦到焦點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域的空氣擊穿后產(chǎn)生等離子體，聚焦激光脈沖前沿?fù)舸┛諝獾倪^(guò)程也稱“點(diǎn)火”，點(diǎn)火后形成的等離子體團(tuán)吸收激光能量，以爆轟波/爆燃波的形式迅速膨脹，膨脹的高溫高壓等離子團(tuán)與噴管壁面發(fā)生動(dòng)量耦合從而產(chǎn)生脈沖推力。一般情況下，對(duì)于激光推進(jìn)中常用的TEACO2激光器而言，等離子體的點(diǎn)火閾值約為107W/cm2，然而，如果激光脈沖在聚焦之前傳輸了極遠(yuǎn)的距離以至于激光功率密度下降到點(diǎn)火閾值以下，或者激光脈沖本身的脈寬相對(duì)于短脈沖ω2激光器偏長(zhǎng)導(dǎo)致激光功率密度下降，一般激光推力器的光學(xué)聚焦作用無(wú)法完成等離子體點(diǎn)火，也就無(wú)法產(chǎn)生有效的脈沖推力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，該激光推力器簡(jiǎn)單、 實(shí)用，能夠方便、有效地降低吸氣式激光推進(jìn)過(guò)程中的等離子體點(diǎn)火閾值，并順利完成整個(gè)推力形成過(guò)程。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，包括噴管；其還包括點(diǎn)火針，在推力器內(nèi)部加裝點(diǎn)火針，從而有效降低該推力器在脈沖激光入射時(shí)的點(diǎn)火閾值。所述的吸氣式激光推力器，其所述在推力器內(nèi)部加裝點(diǎn)火針，是將點(diǎn)火針一端固定于噴管的頂端或側(cè)壁，固定方式既可以為焊接方式也可以通過(guò)在噴管管壁上打孔將點(diǎn)火針嵌入，另一端為自由端，該自由端的尖端部位于激光推力器聚焦光斑范圍內(nèi)。所述的吸氣式激光推力器，其所述點(diǎn)火針，為鋼、鐵、鋁、銅或鎢金屬材料制成。所述的吸氣式激光推力器，其所述噴管，為具有一定線型的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)面罩結(jié)構(gòu)， 為拋物面型或圓錐型。所述的吸氣式激光推力器，其所述噴管，為鋁金屬材料制成。本發(fā)明的低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，成功地降低了等離子體點(diǎn)火閾值，實(shí)現(xiàn)了低功率密度條件下的吸氣式激光推進(jìn)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉，可廣泛應(yīng)用于激光推進(jìn)研究領(lǐng)域。


圖1為現(xiàn)有典型鈴形激光推力器的剖面示意圖；圖2為本發(fā)明低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器采用拋物面型噴管結(jié)構(gòu)的截面示意圖；其中噴管1、點(diǎn)火針2;圖3為本發(fā)明低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器用于長(zhǎng)脈沖TE CO2激光推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，主要由噴管和點(diǎn)火針組成；其中噴管內(nèi)壁研磨拋光。點(diǎn)火針一端固定于噴管的頂端或側(cè)壁，另一端為自由端，自由端為針尖形狀，尖端的端點(diǎn)位于噴管聚焦光斑的焦點(diǎn)區(qū)域。噴管為具有一定線型的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)面罩結(jié)構(gòu)，線型可以為拋物面型、圓錐型或其他形狀，采用輕質(zhì)金屬材料制作，如鋁。點(diǎn)火針材料采用鋼、鐵、鋁、銅、鎢等金屬材料制作。本發(fā)明在激光推力器內(nèi)部加裝點(diǎn)火針，根據(jù)激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理，點(diǎn)火針的金屬尖端部位提供大量的自由電子，自由電子通過(guò)逆韌致輻射吸收聚焦的激光能量得到加速，加速后的電子與空氣中的原子、離子、電子發(fā)生碰撞，使空氣迅速離化為高能等離子體， 等離子體的高能量態(tài)加劇了空氣中的級(jí)聯(lián)電離，最終使空氣徹底擊穿，實(shí)現(xiàn)了等離子體點(diǎn)火，并完成整個(gè)推進(jìn)過(guò)程。其工作流程是當(dāng)入射激光脈沖進(jìn)入激光推力器，并通過(guò)推力器的噴管壁面反射聚焦于焦點(diǎn)，焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)火針自由尖端提供大量的自由電子吸收激光能量，并在達(dá)到高能量態(tài)后通過(guò)碰撞電離加劇空氣中的原子產(chǎn)生離化，并輔助完成整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程。在空氣擊穿之后形成高溫高壓的等離子體團(tuán)，等離子體團(tuán)吸收后續(xù)激光脈沖能量后，以爆轟波/爆燃波的形式迅速膨脹，到達(dá)噴管壁面時(shí)通過(guò)動(dòng)量耦合過(guò)程推動(dòng)激光推力器前進(jìn)。為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
圖2是本發(fā)明低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器采用拋物面型噴管結(jié)構(gòu)的截面示意圖。噴管1為軸對(duì)稱拋物面形狀，點(diǎn)火針2 —端嵌入噴管的頂端并通過(guò)拋物面的頂點(diǎn)，另一端的針尖與拋物面的焦點(diǎn)重合。
實(shí)施例激光推力器采用拋物面型軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為硬鋁，由數(shù)控機(jī)床加工成型， 內(nèi)表面經(jīng)過(guò)拋光后反射率高達(dá)90%以上，噴管的頂點(diǎn)和焦點(diǎn)之間的距離為5mm，邊沿口徑為 50mmo點(diǎn)火針的材質(zhì)為鋼材料，除尖端部分以外的直徑為0. 6mm。激光推力器整體質(zhì)量為68. 7g。激光器采用中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的長(zhǎng)脈沖TE CO2激光器，單脈沖能量可達(dá)到14J，脈寬可調(diào)，實(shí)驗(yàn)采用2(^8、32118和40 μ s三種脈寬。采用上述裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，成功地將點(diǎn)火閾值從107W/cm2降低到106W/cm2，并實(shí)現(xiàn)了低功率密度條件下的吸氣式激光推進(jìn)，沖量耦合系數(shù)可達(dá)到203N/MW，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，包括噴管；其特征為，還包括點(diǎn)火針，在推力器內(nèi)部加裝點(diǎn)火針，從而有效降低該推力器在脈沖激光入射時(shí)的點(diǎn)火閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸氣式激光推力器，其特征為，所述在推力器內(nèi)部加裝點(diǎn)火針，是將點(diǎn)火針一端固定于噴管的頂端或側(cè)壁，另一端為自由端，該自由端的尖端部位于激光推力器聚焦光斑范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的吸氣式激光推力器，其特征為，所述點(diǎn)火針，為鋼、鐵、鋁、 銅或鎢金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸氣式激光推力器，其特征為，所述噴管，為具有一定線型的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)面罩結(jié)構(gòu)，為拋物面型或圓錐型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的吸氣式激光推力器，其特征為，所述噴管，為鋁金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低點(diǎn)火閾值吸氣式激光推力器，涉及激光技術(shù)，包括噴管、點(diǎn)火針，該點(diǎn)火針采用金屬材料制成，其一端固定于噴管頂端或側(cè)壁，另一端為自由端，該自由端的尖端部位于噴管聚焦光斑的焦點(diǎn)附近，能夠有效降低激光推力器在脈沖激光入射時(shí)的點(diǎn)火閾值，有利于順利實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。通常情況下，點(diǎn)火閾值可降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明適用于各種吸氣式激光推力器，包括拋物面型激光推力器、圓錐型激光推力器等。
文檔編號(hào)F02K9/97GK102297042SQ20101021841
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者譚榮清, 陳靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所