專利名稱：基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太空飛行航天器的光推進(jìn)技術(shù)，具體地，涉及一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
航天器在太空中工作時，需要進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整等推進(jìn)系統(tǒng)工作。要完成上述工作，航天器內(nèi)應(yīng)當(dāng)配置有相應(yīng)的系統(tǒng)。現(xiàn)有的航天器一般采用化學(xué)推力技術(shù)，這是目前主流的航天器推進(jìn)方法，全球、包括我國目前所投入使用的衛(wèi)星型號大多采用化學(xué)推進(jìn)方式。在航天器飛行路程遠(yuǎn)時，所攜帶的化學(xué)燃料更是數(shù)量巨大，例如俄羅斯福布斯火衛(wèi)一探測器，采用化學(xué)推進(jìn)方式提供動力，攜帶了超過11噸的無水肼燃料，占總重的85%，提供約
4.5km/s的速度增量。采用化學(xué)推進(jìn)方式，需要攜帶大量推進(jìn)劑，由于整星質(zhì)量龐大，推進(jìn)劑所提供的速度增量有限。為克服化學(xué)推進(jìn)方式的缺點(diǎn)，電推進(jìn)方式是目前較新型的推進(jìn)方案，美國黎明號主帶小行星探測器，采用電推進(jìn)的方式提供動力，攜帶了 400kg的高壓氙氣推進(jìn)劑，占總重的32%，提供約lOkm/s的速度增量。即便如此，該速度增量也僅為地球發(fā)射時公轉(zhuǎn)提供速度的三分之一。電推進(jìn)方式相比化學(xué)推進(jìn)，可以大大降低推進(jìn)劑的攜帶量。但是，由于衛(wèi)星通過太陽帆板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的效率不到30%，因此一臺400W功率的電推進(jìn)器需要至少lm2的太陽帆板為其供電，這對整星能源產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。本發(fā)明為航天器飛行過程中提供了高比沖、高推力相結(jié)合的太陽光推進(jìn)技術(shù)。太陽光推進(jìn)技術(shù)是將聚焦的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，利用熱能加熱推進(jìn)劑，聚集器收集太陽能輻射，將收集的太陽能送到光學(xué)波導(dǎo)輸送線，光纖將高強(qiáng)度太陽輻射送到熱收集器，并有效產(chǎn)生高性能推力。使得高比沖與高推力/重量組合起來，而且大尺度的太陽能推進(jìn)無需星上能源供應(yīng)，成本較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)航天器的太陽光推進(jìn)功能，滿足航天器的全過程軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整等推進(jìn)要求，以及長期在軌推進(jìn)、軌道注入等推進(jìn)要求，且降低推進(jìn)系統(tǒng)的資源需求，提高了航天器推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到降低航天器研制成本、提高航天器總體可靠性等有益效果。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，包括:太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器、光推進(jìn)器和固體推進(jìn)劑，太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器和光推進(jìn)器依次連接，固體推進(jìn)劑設(shè)置在光推進(jìn)器表面。優(yōu)選地，太陽光集束器包括多組并列設(shè)置的匯聚透鏡組和多個光導(dǎo)纖維，各匯聚透鏡組與對應(yīng)的光導(dǎo)纖維的一端連接，光導(dǎo)纖維的另一端連接至太陽光分路器。優(yōu)選地,光導(dǎo)纖維米用芯徑600 V- m的石英光纖。
優(yōu)選地，太陽光集束器的集光面積大于5m2。優(yōu)選地，太陽光分路器包括選擇性光柵和光柵控制器，選擇性光柵與光導(dǎo)纖維連接，光柵控制器與選擇性光柵連接。優(yōu)選地，光柵控制器采用電光調(diào)制光子晶體光柵控制器。優(yōu)選地，太陽光納米導(dǎo)管聚焦器采用光子晶體材料制成。優(yōu)選地，光推進(jìn)器的推力為168 294mN，比沖為18 20kN s/kg。優(yōu)選地，固體推進(jìn)劑采用金屬光激發(fā)材料。本發(fā)明的工作原理及過程如下:航天器在太空航行時，太陽光集束器收集太陽光能，匯聚透鏡組實(shí)現(xiàn)太空中平行太陽光的匯聚與再平行，實(shí)現(xiàn)匯聚太陽光平行進(jìn)入光導(dǎo)纖維；之后，光導(dǎo)纖維將匯聚平行太陽光傳輸至太陽光分路器，光柵控制器根據(jù)航天器所需推力大小的控制信息，控制選擇性光柵運(yùn)動，選擇通過或斷開特定能量的太陽光波束，實(shí)現(xiàn)太陽光能的有效分配，滿足不同光推力器的光能需求；然后，太陽光納米導(dǎo)管聚焦器將發(fā)散的太陽光聚集起來，形成很小的束斑，提高太陽光的功率密度；最后，經(jīng)太陽光納米導(dǎo)管聚焦器聚焦的太陽光照射到金屬光激發(fā)材料表面，金屬光激發(fā)材料受光熱激發(fā)后，等離子體高速逸散，形成推力，推動光推力器運(yùn)動。本發(fā)明直接匯集太陽光作為光推進(jìn)能源，利用太陽光匯聚所產(chǎn)生的光能加熱光推進(jìn)器，解決了低功耗遠(yuǎn)距離空間推進(jìn)問題，避免了航天器攜帶用于推進(jìn)的大量化學(xué)推進(jìn)劑，提高了太陽光能量的利用率，降低了航天器推進(jìn)、能源等分系統(tǒng)設(shè)計難度。本發(fā)明的應(yīng)用可以解決太陽系內(nèi)空間航 天器航行所需推進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)，對提高航天器航速和深空探測范圍、降低航行所需資源代價具有一定效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了航天器的太陽光推進(jìn)功能，滿足航天器的全過程軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整等推進(jìn)要求，滿足航天器長期在軌推進(jìn)要求，滿足地球靜止軌道航天器的操縱需求，滿足航天器低地球軌道注入、地球靜止軌道的注入等推進(jìn)需求，降低了推進(jìn)系統(tǒng)的資源需求，提高了航天器推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。并且，本發(fā)明可以使得航天器有長期在軌能力及地球靜止軌道的巨大操縱能力，在低地球軌道注入、地球靜止軌道的注入以及可重復(fù)使用的軌道轉(zhuǎn)移器等方面都可廣泛應(yīng)用，適用范圍廣。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有降低航天器研制成本、提高航天器總體可靠性且適用范圍廣泛的有益效果。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:圖1為本發(fā)明基于太陽光的航天器推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的太陽光集束器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的太陽光分路器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的太陽光納米導(dǎo)管聚焦器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的光推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。請同時參閱圖1至圖5，一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，包括:太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器、n個光推進(jìn)器和固體推進(jìn)劑，太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器和光推進(jìn)器依次連接，固體推進(jìn)劑設(shè)置在光推進(jìn)器表面。本發(fā)明綜合考慮航天器飛行過程中軌道、姿態(tài)和工作模式變化，優(yōu)化設(shè)計各種光推進(jìn)參數(shù)。太陽光集束器收集太陽光能，實(shí)現(xiàn)太陽光能的直接集束，提高光能密度。如圖2所示，其為本發(fā)明的太陽光集束器的結(jié)構(gòu)原理圖。太陽光集束器包括n組并列設(shè)置的匯聚透鏡組和n個光導(dǎo)纖維，各匯聚透鏡組與對應(yīng)的光導(dǎo)纖維的一端連接，光導(dǎo)纖維的另一端連接至太陽光分路器。本實(shí)施例中，太陽光集束器集光面積大于5m2，按集光效率70%。匯聚透鏡組采用太陽光透鏡，太陽光透鏡實(shí)現(xiàn)太空中平行太陽光的匯聚與再平行，實(shí)現(xiàn)匯聚太陽光平行進(jìn)入納米太陽光導(dǎo)纖維。納米太陽光導(dǎo)纖維為表面非常光滑的空心毛細(xì)導(dǎo)管，具體采用采用芯徑600 u m的石英光纖，輕便柔軟便于安裝，同時可實(shí)現(xiàn)太陽光能的低損有效傳輸。每組太陽光透鏡連接一根納米太陽光導(dǎo)纖維，將匯聚的太陽光能量傳輸?shù)教柟夥致菲?。太陽光分路器?shí)現(xiàn)太陽光能的有效分配，滿足不同光推力器的光能需求。如圖3所示，其為本發(fā)明的太陽光分路器的結(jié)構(gòu)原理圖，太陽光分路器包括選擇性光柵和光柵控制器，選擇性光柵與光導(dǎo)纖維連接，光柵控制器與選擇性光柵連接。光柵控制器根據(jù)航天器所需推力大小的控制信息，控制光柵運(yùn)動，選擇通過或斷開特定能量的太陽光波束。本實(shí)施例中，太陽光分路器采用高功率轉(zhuǎn)換的光纖直接連接光柵控制器，可以實(shí)現(xiàn)最大光功率達(dá)2麗的光傳輸與通斷控制。光柵控制器采用光子晶體光柵控制器，一般采用電光調(diào)制方式，利用了光子晶體的壓電效應(yīng)，即在某些晶體的特定方向施加壓力時，對應(yīng)表而上出現(xiàn)正或負(fù)的電荷，并且電荷密度與壓力大小成正比。具有壓電效應(yīng)的物體稱作壓電體(piezodectrics)。從原理上講，是因?yàn)楣獠ㄔ诮橘|(zhì)中的傳播規(guī)律受介質(zhì)折射率分布狀況影響制約，而介質(zhì)折射率分布是由介質(zhì)介電常數(shù)所決定的。而介電常數(shù)是隨著作用在介質(zhì)上的電場強(qiáng)度而變化的。目前，電光調(diào)制已在光開光、光通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光柵控制器根據(jù)輸入根據(jù)航天器所需推力大小的控制信息，控制光柵通斷，從單次發(fā)射的太陽光波束時間長度和選擇太陽光能量兩方面控制傳輸?shù)奶柌ㄊ?。本發(fā)明采用光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)太陽光能的有效傳導(dǎo)，由太陽光分路器出來的太陽光經(jīng)光導(dǎo)纖維分別傳送至不同安裝位置的光推力器內(nèi)。光推力器內(nèi)的太陽光能經(jīng)太陽光納米導(dǎo)管聚焦器實(shí)現(xiàn)太陽光能的有效匯聚。經(jīng)太陽光納米導(dǎo)管聚焦器匯聚后，用來激發(fā)金屬光激發(fā)材料，金屬光激發(fā)材料受光熱激發(fā)后，等離子體高速逸散，形成推力。如圖4所示，其為本發(fā)明太陽光納米導(dǎo)管聚焦器的結(jié)構(gòu)原理圖。太陽光納米導(dǎo)管聚焦器將發(fā)散的太陽光聚集起來，形成很小的束斑，提高太陽光的功率密度。太陽光納米導(dǎo)管聚焦器采用光子晶體材料設(shè)計。光子晶體是兩種以上具有不同介電常數(shù)的材料在空間周期分布形成的人工結(jié)構(gòu)與晶體中電子的能帶結(jié)構(gòu)類似，這種材料也具有光子的能帶結(jié)構(gòu).某些波段的光能自由地通過光子晶體，稱為光子導(dǎo)帶；其他波段的光被高度反射，稱為光子帶隙。當(dāng)光子晶體中有缺陷態(tài)時，就有局域模，這種模式的光將在缺陷態(tài)附近局域，從而實(shí)現(xiàn)光的匯聚。太陽光納米導(dǎo)管聚焦器將大面積范圍內(nèi)的太陽光會聚成高功率密度的太陽光束，形成具有不同能量等級的太陽光束，為激發(fā)推進(jìn)工質(zhì)提供穩(wěn)定性高、聚焦性好的太陽光源。光推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)控制用推進(jìn)系統(tǒng)，如圖5所示，其為本發(fā)明光推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)原理圖。光推進(jìn)器攜帶金屬光激發(fā)材料(即金屬棒)，利用聚焦太陽光照射金屬光激發(fā)材料表面，利用其噴出的高溫氣體作為推力推動光推進(jìn)器的拋物面噴管，帶動光推進(jìn)器運(yùn)動。具體地，光推進(jìn)器的推力為168 294mN，比沖為18 20kN s/kg。本發(fā)明采用金屬光激發(fā)材料作為固體推進(jìn)劑的優(yōu)點(diǎn)是不必攜帶氣體或液體推進(jìn)系統(tǒng)那樣的加壓箱和管道等，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可靠性高等。太陽光推進(jìn)器可以構(gòu)成高效率推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)航天器的全過程軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整等推進(jìn)功能。從上述指標(biāo)可以看出，本發(fā)明的基于太陽光的航天器光推進(jìn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)航天器的全過程軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整等推進(jìn)功能，滿足航天器長期在軌推進(jìn)要求，滿足地球靜止軌道航天器的操縱需求，滿足航天器低地球軌道注入、地球靜止軌道的注入等推進(jìn)需求，降低推進(jìn)系統(tǒng)的資源需求，提高航天器推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。最終達(dá)到降低航天器研制成本、提高航天器總體可靠性等有益效果。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的 實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，包括:太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器、光推進(jìn)器和固體推進(jìn)劑，所述太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器和光推進(jìn)器依次連接，所述固體推進(jìn)劑設(shè)置在所述光推進(jìn)器表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽光集束器包括多組并列設(shè)置的匯聚透鏡組和多個光導(dǎo)纖維，所述各匯聚透鏡組與對應(yīng)的光導(dǎo)纖維的一端連接，所述光導(dǎo)纖維的另一端連接至所述太陽光分路器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光導(dǎo)纖維采用芯徑600 u m的石英光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽光集束器的集光面積大于5m2。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽光分路器包括選擇性光柵和光柵控制器，所述選擇性光柵與所述光導(dǎo)纖維連接，所述光柵控制器與所述選擇性光柵連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵控制器采用電光調(diào)制光子晶體光柵控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽光納米導(dǎo)管聚焦器采用光子晶體材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光推進(jìn)器的推力為168 294mN,比沖為18 20kN s/kg。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述固體推進(jìn)劑采用金屬光激發(fā)材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于太陽光的航天器光推進(jìn)系統(tǒng)，包括太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器、光推進(jìn)器和固體推進(jìn)劑，太陽光集束器、太陽光分路器、太陽光納米導(dǎo)管聚焦器和光推進(jìn)器依次連接，固體推進(jìn)劑設(shè)置在光推進(jìn)器表面。本發(fā)明具有降低航天器研制成本、提高航天器總體可靠性且適用范圍廣泛的有益效果。
文檔編號F03H3/00GK103206357SQ20131010315
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者張偉, 王天亮, 尤偉, 葉暉, 舒適, 張建剛 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所