[发明专利]一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光推进领域，特别涉及一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置及方法。

背景技术

激光推进是一种新型推进技术，利用高能激光与工质的相互作用产生推力，推动光船前进。与传统的化学推进相比，激光推进具有比冲大、成本低和安全环保等优点。在微小卫星发射、卫星姿轨控和太空垃圾清理等领域具有广阔的发展前景。

国内外学者对气体工质、固体工质和液体工质的推进机理及性能进行了详细的研究。气体工质被击穿后形成等离子体及激光支持爆轰波，通过等离子体及激光支持爆轰波的反冲作用推动光船前进，气体工质击穿阈值较大，对激光器的要求很高；气体工质激光推进比冲大，但冲量耦合系数较小。固体工质在激光辐照作用下发生烧蚀反应，在烧蚀表面形成蒸汽或等离子体，蒸汽或等离子体离开烧蚀表面产生反推力，当入射激光功率密度较高时等离子体进一步演化为激光支持爆轰波，爆轰波具有很强的反冲作用；固体工质激光推进比冲大，冲量耦合系数较小，与气体工质冲量耦合系数在同一个量级。液体工质在低功率密度激光的辐照作用下剧烈汽化产生爆炸性蒸汽，蒸汽向后喷射产生反推力，在高功率密度激光的辐照作用下发生击穿效应，形成等离子体及激光支持爆轰波，通过等离子体及激光支持爆轰波膨胀产生的反冲力推动光船前进；液体工质激光推进冲量耦合系数大，但比冲和能量转化效率都很小，发生爆炸性汽化时会产生严重的工质浪费现象。

如公开号为CN101737201A的中国专利公开了一种激光推进装置，其包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室；其中所述激光器用于产生激光；所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上；所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述推进剂基本上转换为等离子体；所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传送给光船。该激光推进装置中使用的推进剂便是薄膜推进剂或轻质泡沫材料推进剂，其可以一定程度上避免激光烧蚀固定推进剂时伴随的热传导以及材料溅射造成的推进剂损失，但激光推进的综合性能不高。

为降低工质的击穿阈值、提高激光推进的综合性能，一种新的思路是采用水滴工质代替大体积液体工质用于激光推进，目前仅有装备指挥技术学院的李修乾等人对其推进性能进行了相关的实验研究。在其实验研究中，按推力测试法设计了相关的实验装置，通过透镜聚焦激光，水滴通过工质注入系统从推力器（即激光推进器）顶部注入，在推力器中被激光加热产生爆炸性汽化现象，蒸汽与推力器发生耦合作用形成反推力。其实验结果表明，冲量耦合系数为5.2×10^-4N/W，比冲约为100s，能量转化效率达到了26%，综合推进性能得到了很大提高。

但在其实验研究中，入射激光的功率密度小于水滴的击穿阈值，没有发生水滴击穿效应并进一步形成等离子体及激光支持爆轰波，仅研究了汽化作用下水滴的推进性能，推进性能还有进一步提升的空间；激光的聚焦方式及水滴的喷注方式还有进一步优化的余地；激光推进方法还有进一步创新的方向。

发明内容

本发明提供了一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置及方法，达到降低工质击穿阈值和提高激光推进综合性能的效果。

一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置，包括激光器、水滴喷注器件、激光推进器和脉冲信号发生器；

所述激光器，产生并向所述激光推进器发射激光；

所述激光推进器，与所述激光器同轴设置；

所述水滴喷注器件，设于所述激光推进器头部并向所述激光推进器提供水滴工质；

所述脉冲信号发生器，包括控制激光器的第一脉冲信号发生器和控制水滴喷注器件的第二脉冲信号发生器。

所述水滴喷注器件包括储箱、管路和喷嘴，所述储箱通过管路与喷嘴连接，喷嘴紧贴所述激光推进器的头部并向所述激光推进器喷注水滴工质。

所述水滴喷注器件和激光推进器连成一体。水滴喷注器件与激光推进器的一体化设置使水滴喷注器件中的喷嘴置于激光推进器的头部，两者牢固连接。

所述激光推进器为抛物线形，激光器发射的平行激光经激光推进器的内壁面反射后在抛物线焦点处发生聚焦。激光推进器的头部即抛物线形激光推进器的顶部。

所述喷嘴产生的水滴的索特平均直径为10μm量级。