[发明专利]一种适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器及方法

说明书

本发明公开了一种适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器及方法，包括：整流罩、环形喷管和抛物形反射镜；其中，所述环形喷管的上部入口与所述整流罩相连接，所述环形喷管的内壁面与抛物形反射镜相连接；所述抛物形反射镜将激光源射来的脉冲激光束聚焦在环形喷管的管壁，形成环状点火线，将空气或水变成不透明的高温高压等离子体，形成爆轰波；爆轰波与环形喷管的管壁作用时产生推力推动光船前进；整流罩保护有效载荷并有效地减小大气飞行中的空气阻力；同时作为外部压缩入口，将气流的动能转化为势能，为激光推力器提供一定流量的空气工质。本发明具有比冲高、燃料消耗少、发射成本低的特点。

技术领域

本发明属于激光推力器技术领域，尤其涉及一种适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器及方法。

背景技术

目前航天发射主要采用化学推进作为动力来源，传统的化学推进系统现已发展较为成熟，但受本身固有的限制，成本昂贵，发射周期长，难以满足未来航天发展需求。激光具有高度的单色性、方向性、相干性、瞬时性和高亮度等特性，这些特性使激光具有远距离传输的能力。激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生推力，推动飞行器前进的新概念推进技术，其推进原理、能量转化及系统的组成均与现有的化学推进有着显著的不同。采用激光推进的飞行器，飞行器与能源、能源与工质完全分离，工质(空气、水等)吸收激光能量膨胀产生爆轰波形成推力，可以大幅降低推进剂携带量，实现推力器单级入轨。激光推进系统能满足微卫星快速灵活的发射要求，对于未来高频率航天发射需求具有重要意义，同时可带动其他领域的技术发展，应用广泛。

目前国内外对于激光推力器原理与性能计算研究较多，专利CN102116277A中公开了一种电子书烧蚀推进方法及系统，通过电子烧蚀靶材产生反冲推力；专利CN108516108A公开了一种基于纳米流体微液滴工质工质的激光微推进装置及方法，其推进工质为纳米流体。然而国内外对于具备运载能力的激光推力器总体设计、进气道计算设计研究较少，尤其缺乏对于吸气/烧蚀组合模式激光推力器的详细分析与设计，造成目前激光推力器方案不完整，论证尚不充分。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器及方法，以激光为能量来源，吸气模式在低层大气利用空气作为工质，烧蚀模式在高层大气以及外太空利用自身携带的水作为工质产生推力，实现了不同高度速度下的稳定吸气与高效推进，具有比冲高、燃料消耗少、发射成本低的特点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器，包括：整流罩、环形喷管和抛物形反射镜；其中，所述环形喷管的上部入口与所述整流罩相连接，所述环形喷管的内壁面与抛物形反射镜相连接；所述抛物形反射镜将激光源射来的脉冲激光束聚焦在环形喷管的管壁，形成环状点火线，将空气或水变成不透明的高温高压等离子体，形成爆轰波；爆轰波与环形喷管的管壁作用时产生推力推动光船前进；整流罩保护有效载荷并有效地减小大气飞行中的空气阻力；同时作为外部压缩入口，将气流的动能转化为势能，为激光推力器提供一定流量的空气工质。

上述适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器中，所述整流罩为轴对称结构，所述整流罩的表面流线为两段圆弧和一条线段，底面圆直径为980mm，进气道入口角为51°。

上述适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器中，两段圆弧和一条线段为顶部圆弧、中部线段和底部圆弧；以整流罩的底边中心为原点，顶部圆弧、中部线段和底部圆弧的方程式分别为：

上述适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器中，所述抛物形反射镜是轴对称结构，抛物形反射镜表面流线以距中心550mm处左右侧端点分别为原点，抛物形方程为y＝-x²/240，上表面圆直径为980mm。

上述适用于吸气烧蚀组合模式的激光推力器中，所述环形喷管的剖面呈倒V形，喷管为轴对称结构，喷管内圈半径为520mm，环形狭缝的宽度为30mm。