[发明专利]光纤激光自推进宇宙光船推进系统

说明书

技术领域：

本发明属于航天航空技术领域，涉及一种光纤激光推进的续航模式。

背景技术：

当前化学推进技术还存在很大的缺陷，主要表现在：

①可靠性不高，飞行可靠度小于0.99；

②推进剂的质量占运载器总质量的90％以上，有效载荷仅占1％左右，价格昂贵，运输费用高，低轨道单位质量有效载荷约11000～22000美元/kg；

③发射运转模式复杂，不易操作，发射准备周期长；

④许多主力火箭使用有毒、有污染的推进剂.

对比之下，激光推进技术的优势为：

①降低了发射成本，提高了发射的可靠性和成功率；

②采用无毒推进器，本身不会造成对大气环境污染。随着激光功率的提高，可以成倍地提高运载能力；

③特别适合作为小卫星和许多轻型飞行器的推进系统，并且能够多次使用，发射灵活，无需长周期准备，可用于应急通信、军事侦察等卫星的快速发射；

④激光推进还可应用到卫星姿态调整和清除太空垃圾等领域。

⑤具有比冲高、比推力大、有效载荷比大、推进参数调节范围大的特点。

⑥理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限，这在深太空探测中具有重要意义。

当前激光推进技术研究中，通常采用YAG固体激光器(1.06μm)、自由电子激光器和TEA脉冲CO₂激光器(10.6μm)作为光推进光源进行试验。

YAG固体激光器重复频率和峰值功率可以很高，但对于激光推进来说，其单脉冲能量和平均功率均较低。自由电子激光器虽然具备波长可调，功率和效率高等优点，但要获得高质量电子束，还有许多需要进一步完善的地方：如激光阴极、射频枪、高亮度电子储存环以及光学系统等。目前各国研制的自由电子激光器，虽然峰值功率高，但单脉冲能量小(J或mJ量级)，平均功率低，重复频率也较低，不能达到远程激光推进的要求。

TEA脉冲CO₂激光器技术成熟，结构简单，功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0.5～1kJ，重复频率为20～40Hz。TEA脉冲CO₂激光器10.6μm波长激光用于地基激光推进，其大气透射率特性都具有较大优势，进行远距离传输时，激光功率损失最小。另外，在相同的加工精度下，CO₂激光器的大口径光学元件更易于加工。因此，目前CO₂激光器被美国、德国和俄罗斯等发达国家选作地基激光推进的首选激光器，其优点主要表现为：

(1)易于获得超高平均功率和峰值功率、高单脉冲能量；

(2)激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；

(3)工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；

(4)相关光学元件易于制造；

(5)运行成本低。

但TEA脉冲CO₂激光器缺点也是相当明显的

(1)CO₂激光器输出激光质量较差，光束束腰半径和远场发散角较大，造成了对飞行器跟踪瞄准的困难增大，只能靠提高输出功率来增加燃料腔中的激光功率密度。

(2)电光转换效率低下，仅15％左右，能耗巨大。

(3)CO₂激光器系统发热量较大，需要相应的冷却装置，由于热效应的存在，使得系统的稳定性不好。

(4)CO₂激光器体积相对庞大，只能用于陆基，

这些缺陷也使得激光推进技术研究仅仅停留在实验室阶段。

发明内容：

1、专利目的

为了解决传统化学推进系统和TEA脉冲CO₂激光器推进的缺陷，也为了使飞船的速度和续航能力超越目前的极限，本发明采用光纤激光自推进系统，来探索新型高效的航天技术。

2、技术解决方案

化学推进系统的缺陷完全可以利用激光推进系统来弥补，但是传统激光推进因为激光光源的问题也是存在着种种不足

因此本发明提供了一种通过设计光船自推进光纤激光器激光推进系统，研究光纤激光器在激光推进技术中应用的可行性，为目前陷入技术瓶颈的激光推进技术开辟新的研究思路。

光纤激光器具有以下特点：

a.光束质量高