[发明专利]带矢量喷管的激光推进飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天激光推进领域，特别是一种光束方向与推力方向不相关的激光推进飞行器。

背景技术

激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生的高温高压等离子体气流的反作用力推动飞行器前进的新概念推进技术。与传统的化学推进系统相比，激光推进系统有三个特点：首先飞行器无需自身携带能源供给系统，飞行器所需能量可由远距离传输过来的高能激光提供；其次，激光辐射所提供的能量突破了燃烧温度的限制，比冲很高；最后，激光推进系统对工质要求低，可以不采用传统的化学火箭推进剂作为工质。

目前仅有美国Myrabo设计了完整的激光推进飞行器-光船，并对其申请了专利(Myrabo L N，Laser propelled vehicle，US Patent 6488233B1，2002)。光船能以吸气模式和火箭模式工作，主要包括前部、后部和环形护套等部件。前部呈圆拱形，其边沿可作为发动机进气口。后部为一抛物线绕平行于对称轴的直线旋转而成的抛物面，抛物面既可反射激光，将激光聚焦于环线上，又可作为气体膨胀表面，成为塞式喷管的一部分。环形护套和后部旋转抛物面共同组成塞式喷管。塞式喷管是产生推力的主要结构。光船的聚焦镜与喷管共用，具有如下缺点：(1)激光光束必须和光船对称轴重合，否则会影响激光聚焦；(2)喷管内的高速粒子流会冲刷喷管，破坏聚焦镜面；(3)喷管与聚焦镜在设计上难以做到最优化，会顾此失彼；(4)推力与光船对称轴平行，不具备推力矢量控制能力。

另一种简单的激光推进飞行器为“钟”形飞行器。飞行器推进系统主要由钟型喷管组成，喷管内表面为一抛物线沿其对称轴旋转而成的面。喷管内表面做抛光处理，以反射激光。喷管内表面将平行于喷管轴线射入的激光聚焦在抛物面焦点处，靠击穿喷管内工质产生爆轰波以产生推力。这种飞行器的缺点和光船的缺点类似。

俄罗斯Ageichik等人提出了“空天激光推进发动机”(ASLPE，Airspace Laser Propulsion Engine)的概念。由ASLPE构成的飞行器在制造和功能上将推进系统的光学单元和发动机分离。激光束通过由两面反光镜组成的光束校正系统后射入旋转抛物面反射镜，经反射后激光束成为环聚焦光束。在光束聚焦之前，有一圆环形反光镜将光束由环聚焦改变为点聚焦，其焦点在发动机喷管内。飞行器推力方向与光束方向无关，具有推力矢量控制能力。但是，ASLPE的喷管上有开口以引入激光，这会给飞行器带来两个问题：(1)工质从喷管开口处逸出，给飞行器其他部件带来污染；(2)喷管开口限制飞行器推力的提高。

2006年，唐志平提出了分离式全方位接收激光推力器并申请了专利(中国国家发明专利，公开号CN 1970389A)。分离式全方位接收激光推力器包括光学系统，推进剂贮箱，燃烧室及喷管。燃烧室的一侧开有透明圆形窗口，激光光束经光学系统汇聚并通过窗口进入燃烧室中心位置。燃烧室内的推进剂被激光点燃后从喷管喷出产生向前的推力。该推力器的主要缺点是燃烧室的透明圆形窗口所处环境恶劣，既要承受强激光产生的热效应，又要经受高温燃气的冲刷与传热，因此窗口材料容易损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，为航天发射以及邻近空间飞行提供一种推力方向与激光束方向不相关，发动机无污染，对推力室的激光入射窗口性能要求低的激光推进飞行器。

本发明的技术方案是：所述激光推进飞行器包括有效载荷及控制仪器舱1、推进剂贮箱2、平面反射镜3、凹抛物面反射镜4、凸抛物面反射镜5、高透射率平板玻璃6、激光推进发动机7。有效载荷及控制仪器舱1位于飞行器的头部，推进剂贮箱2位于飞行器中部，与有效载荷及控制仪器舱1相邻。凹抛物面反射镜4和凸抛物面反射镜5位于飞行器腹部靠后的位置，两者共轴线和焦点。在凸抛物面反射镜5的下方是高透射率平面玻璃6，为圆形平面玻璃，直径比凹抛物面反射镜略大，嵌于飞行器腹部壳体。在凹抛物面反射镜4的顶部是平面反射镜3。

高透射率平面玻璃6可让高能激光通过并防止外界气流影响凹抛物面反射镜4和凸抛物面反射镜5。平面反射镜3将激光引入位于飞行器尾部的激光推进发动机7。