[发明专利]一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置

说明书

本发明公开的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块。光纤耦合集束输出激光模块用于产生激光集束光斑，带式工质供给模块向激光集束光斑处供给带式工质，激光集束光斑沿带式工质的长度方向进行烧蚀，控制模块用于驱动二极管激光器发射激光，并且控制供给模块供给带式工质的速度，即带式工质的长度方向的移动速度，激光烧蚀带式工质产生等离子体，为微纳卫星姿轨控提供动力。本发明降低了激光烧蚀动力装置复杂度，增加了带式工质利用率，提升了工质存储量并增加工质的可使用量提升了使得推进系统的总冲量，实现了激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度。

技术领域

本发明涉及属于微纳卫星推力技术领域，具体地，涉及一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，用于微纳卫星的激光烧蚀推进的场合。

背景技术

微纳卫星由于其体积小、重量轻、成本低、功能密度大、研制周期短等特点，成为卫星技术发展的新热点。微纳卫星通常采用标准的1U单元体制组合而成，1U的体积为100mm×100mm×100mm，例如对于一个6U的微纳卫星，一般采用1U的单元体制通过2行3列组合而成，即体积为300mm×200mm×100mm。微推力器作为微纳卫星系统的重要组成部分，可为微纳卫星姿态、轨道调整提供必要的动力支持，提高微纳卫星的任务执行能力和在轨使用寿命。由于微推进技术涉及光机电等众多交叉技术，系统较为复杂，目前并没有可用于实际工程的且成熟的标准化的低功耗、小体积微纳卫星动力装置，这也限制了微纳卫星技术的进一步发展。

近年来，电推进技术由于其高比冲的特点逐渐成为微纳卫星动力系统研究的主要方向，其中，利用电能转化为光能，再利用光能转化为机械能的激光烧蚀动力装置成为微纳卫星可选的动力系统技术之一，能够满足微纳卫星动力系统的需求。利用激光产生动力作为微推力器的想法由来已久，国内外均开展了相关技术研究，美国、日本、德国等激光应用技术领域科研团队，研制了不同种类的激光动力装置，验证了激光动力转置产生冲量、形成推力的技术可行性。例如德国宇航中心研制了一种纳秒脉宽激光烧蚀固体材料的激光烧蚀微推力器，采用固体材料通过恒力弹簧推挤供给，激光以45度角度倾斜反射式烧蚀工质材料；日本提出了一种预置烧蚀坑，将被烧蚀工质填入预置烧蚀坑中，进行约束烧蚀的激光烧蚀微推力器。虽然激光烧蚀微推力器的原理已经进行了验证，但是符合微纳卫星使用的低功耗、小体积、集成度高的微推力器还不够成熟，比如有的体积较大，有的属于异形结构，因此很难应用到标准化的微纳卫星动力系统中。

此外，激光功率密度的高低以及对工质的高效烧蚀，对激光烧蚀动力装置的比冲提升至为关键，这就要求激光烧蚀动力装置的激光具有较好的聚焦性能和密排集束方式。现有的方法是通过单个或多个透镜的使用，实现对激光光束的聚焦，然而透镜的应用，不但会增加光路的调试难度，也会带来系统的复杂化；同时，为了实现对靶带式固体工质的高效烧蚀，单个透镜必须在某个维度上能够往复运动，这又必须增加电机、导轨等运动执行机构，增加推力器的额外功率；也有现有技术方法使用多个透镜的组合实现对工质的高效烧蚀，这又带来了系统体积的增加和调试的复杂程度，

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的在于一是降低激光烧蚀动力装置的复杂度，二是减少激光烧蚀动力装置的体积，从而实现激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度，以解决背景技术中的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块；其中，

所述光纤耦合集束输出激光模块包括多个二极管激光器、光纤、玻璃片和光纤集束盒，每个二极管激光器连接光纤输入端并通过光纤输出激光，所述光纤输出端和带式工质之间设置有玻璃片，光纤集束盒固定所有光纤的输出端和玻璃片，并使多条光纤输出的激光聚焦光斑形成激光集束光斑，所述激光集束光斑作用于沿长度方向运动的带式工质上，使带式工质发生烧蚀产生提供动力的等离子体；

所述带式工质供给模块，为光纤耦合集束输出激光模块的激光集束光斑处提供带式工质；