专利名称：激光推进自由飞行演示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光推进技术，特别是一种可实现激光推进自由飞行演示的装置。
背景技术：
1972年，美国学者Kantrowitz曾提出高功率激光可能用于产生发射过程中的推力，从而可通过地基或空基激光远距离传输能量将小卫星或飞行器送入近地轨道(参见“Propulsion to Orbit by Ground-basedlasers”，Astronautics and Aeronautics，1972，10(5)74-76)。Myrabo提出了激光驱动贯穿大气层的飞行器的设想，即将光束照射在飞行器抛物面型内表面，能量聚焦后将空气击穿，使其发生离子化，变成高温高压的等离子体由喷口喷出，形成反作用力，推动飞行器。随着激光技术和航天技术的不断发展，激光推进的研究受到各个国家的重视。传统的化学火箭发动机中，受工质燃烧温度的限制(4000K-5000K)，比冲小于500s，需要携带大量燃料，有效载荷比低(一般在1.5％)，将1kg的物体送入近地轨道的费用约为10,000美元；而采用激光推进，温度高达10000K-20000K，比冲可达2000s，有效载荷比可提高到15％以上，费用仅是化学火箭推进费用的1/10～1/100。利用激光推进可以将微小卫星快速布放到近地轨道上，这在卫星通信、遥感探测以及国防等领域有广阔的应用前景。
作为激光推进研究的关键组成部分，成功的激光推进飞行演示，已经成为一个国家激光推进发展水平的重要标志。同时，激光推进飞行演示实验，也是激光推进研究中，一种非常有效的研究手段。在目前的技术条件下，为了避免飞行器飞行姿态及飞行方向的控制出问题，在竖直飞行演示的实例中，一般采用线导轨约束飞行器的位置，使飞行器只能沿导轨一维运动，飞行器在激光束竖直推进的作用下，沿着线导轨向上爬升。这种方案简单易行，容易在实验室实现。缺点是需要架设足够长度的轨道引线并要精确调整其平行度，飞行器和轨道引线之间存在摩擦力的影响，而且飞船在飞行的过程中受到约束，在飞行过程中产生的一些姿态问题被湮没了，不利于全面系统研究激光推进演示中所产生的问题。
发明内容
本发明的目的在于为激光推进自由飞行研究提供一种低廉、实用、可靠的演示装置激光推进自由飞行演示装置，初步解决自由飞行演示过程中，飞行器的姿态保持问题，不需要采用线导方式，在发射激光前，通过高速转台给飞行器一定的初始转速，以保持其姿态，提高飞行器在飞行过程的稳定性，实现激光推进自由飞行。该装置可用于激光推进研究，尤其适用于激光推进自由飞行演示。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种激光推进自由飞行演示装置，由飞行器和发射平台两部分组成，发射平台包括旋转台、导光镜、电机、传动机构、平台支架；其飞行器放置在旋转台上，发射激光前，启动电机，通过传动机构驱动旋转台，旋转台通过传动杆，带动飞行器随旋转台同步转动，使飞行器绕其对称轴自转；此时，发射激光，激光束经导光镜照射在飞行器抛物面型内表面，能量聚焦后将空气击穿，使其发生离子化，变成高温高压的等离子体由飞行器下部喷口喷出，形成反作用力，推动飞行器升空飞行。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其飞行器采用铝质抛物面旋转体轴对称结构，内表面经过抛光处理，反射率在70％以上，射入的激光光束经其内表面反射，在抛物面的焦点处聚焦；发射平台的旋转台、传动机构和电机置于平台支架上部平面，旋转台位于平台支架上部平面左部，电机位于平台支架上部平面右部，两者以传动机构相连；飞行器置于旋转台上口，为将激光光束导入飞行器内的聚焦面，旋转台为中空管状结构；复数个传动杆均布于旋转台外缘，传动杆的上部为光杆，下部为螺纹杆，螺固于旋转台侧面；飞行器底部边沿开有复数个对称凹槽用以同复数个传动杆配合；旋转台向下投影中心位置，在平台支架下部平面上，设有精密俯仰旋转光学平台，导光镜通过45度楔面，固定在精密俯仰旋转光学平台上；飞行器对称轴、旋转光学平台转动轴、激光光束中心轴三者重合；整个装置通过平台支架连接固定。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述旋转台为中空管状结构，其中空部分为铝质导光管，导光管与旋转台上表面的交界处为旋转台上口，即出光口，激光可通过其导光管下口射入，经出光口出射，导入飞行器并推动飞行器飞行。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述旋转台，其底部内嵌在一个轴承内圈中，轴承的外圈固定在平台支架上部平面中的支撑件上，轴承可承受的最大转速不低于3000转/分钟。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述轴承，直径为Φ50mm。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述复数个传动杆与旋转台的连接，是旋转台的顶部设有复数个对称的槽位，复数个传动杆，其上半部为直径Φ1mm的光杆，下半部为M2的螺纹，每根传动杆通过上下两个螺母，调整其突出旋转台面的高度及距离旋转台中心的径向位置，使其相对于旋转台中心对称，并固定在旋转台的四个槽位上，以更好地与飞行器配合。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述复数个传动杆，为四个传动杆，飞行器底部边沿开有复数个对称凹槽，为四个凹槽。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述导光镜，为铜质，表面经过抛光镀金处理，对CO2激光的反射率达99％以上；导光镜背面通过一个加工为45度的铝质斜面，固定在精密光学俯仰旋转调整光学平台的面上，光学平台的调节范围为+/-1.5度。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述传动机构分别与旋转台侧壁横截面为梯形的凹槽和电机轴套上的凹槽相连；传动机构，是传动皮带，或是传动齿轮。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述发射激光，是采用高重复脉冲频率TEA CO2激光器发射。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述电机，为直流伺服电机，额定功率为92W，额定电压为110V，额定电流为1.15A，最大转速为6000rpm。
所述的激光推进自由飞行演示装置，其所述旋转台上的传动杆，其突出旋转台面的高度为2-20毫米，以既能实现带动飞行器稳定旋转又不影响其自由飞行。
本发明采用旋转转台，给飞行器在发射前以一定的初始转速，使飞行器绕其对称轴高速自转。根据理论力学的原理可知，当高速旋转的对称刚体在有外力矩作用下运动时，具有在进动的过程中，伴有微小颤动并不倾倒的回转效应。而当对称刚体绕其对称轴以很大角速度转动时，如果不受外力矩的作用，那么由于惯性关系，这个物体转动轴的方向保持不变，即角速度的方向保持不变。从而达到自由飞行过程中保持飞行器姿态的目的。
综上所述，本发明所提出的采用给激光推进飞行器以初始转速的一套装置，成功地解决了飞行器在飞行过程中的姿态保持问题，实现了激光推进的自由飞行演示。该装置结构简单、运行可靠、成本低廉，在激光推进研究中，有广泛的应用前景。
图1为激光推进自由飞行演示装置结构示意图。其中，图1a为该装置主视图，图1b为该装置的俯视图；图2为采用本发明装置实现激光推进自由飞行演示的飞行过程记录图片。
具体实施例方式
为进一步说明本发明的特征和结构，下面结合附图对本发明作详细描述。
图1为激光推进自由飞行演示装置结构示意图。
本发明的激光推进自由飞行演示装置，由飞行器1和发射平台两部分组成。飞行器1采用简单的抛物面旋转体轴对称结构，内表面经过抛光处理，反射率在70％以上。射入的激光光束经其内表面反射，在抛物面的焦点处聚焦。发射平台由旋转台2、传动机构3、电机4、导光镜5和平台支架6组成。为将激光光束导入飞行器1的聚焦面，旋转台2设计成中空管状结构，导光镜5为表面镀金铜镜，通过45度楔面，固定在精密俯仰旋转光学平台8上，置于旋转台2向下投影中心位置。飞行器1通过安装在旋转台2上的传动杆7带动，在激光推进飞行前安放在旋转台面上，并随旋转台2绕其对称轴同步自转。飞行器对称轴、旋转光学平台8转动轴、激光光束中心轴(光轴)三者重合。传动杆7的上部为光杆，下部为螺纹杆，复数个传动杆7均布于旋转台2外缘，且螺固于旋转台2侧面。飞行器1底部边沿开有数个对称凹槽用以同传动杆7配合。旋转台2上的传动杆7突出旋转台面的高度和安装于旋转台面的径向位置可以调整，以更好地与飞行器1配合。旋转台2通过传动机构3由电动机4驱动旋转。整个装置通过平台支架6连接固定。
实施例如图1所示，旋转台2为一铝质中空结构，内径为Φ40mm，旋转台2顶部加工出四个对称的槽位，用以放置四根长20mm的传动杆7，传动杆7上半部为直径Φ1mm的光杆，下半部为M2的螺纹，每根传动杆7通过上下两个螺母，调整其突出旋转台面的高度及距离旋转台2中心的径向位置，使其相对于旋转台2中心对称，并固定在旋转台2的四个槽位上。旋转台2的底部内嵌在一个直径为Φ50mm的轴承内圈中，轴承的外圈固定在支撑件上，轴承可承受的最大转速不低于3000转/分钟。在旋转台2的侧壁上车出一周横截面为梯形的凹槽，直径为Φ5mm的传动带通过旋转台2侧壁凹槽与电机4的轴套凹槽相连，将电机4的动力传递给旋转台2，为防止传动带在槽间打滑，传动带的长度要适中，连接好旋转台2和电机4后，传动带要有一定的张度。本实例中采用的电机4，额定功率为92W，额定电压为110V，额定电流为1.15A，最大转速为6000r.p.m，为直流伺服电机。在电机4的驱动下，旋转台2带动飞行器1绕其中心转动，其转速取决于电机4的转速和传动比。通过调节电机4的转速，可以控制旋转台2的速度，进而控制飞行器1的初始转速。反射导光镜5为铜质，表面经过抛光镀金处理，对CO2激光的反射率达99％以上。导光镜5背面通过一个加工为45度的铝质斜面，固定在精密光学俯仰旋转调整光学平台8的面上，光学平台8的调节范围为+/-1.5度。精密俯仰旋转调整光学平台8可以使激光束正入射到飞行器1的内表面上，即飞行器对称轴、旋转调整光学平台8转动轴、激光光束中心轴(光轴)三者重合，避免由于光束的偏移造成光船升空后的翻转。
飞行器1设计成抛物面型轴对称旋转体，材质为硬铝，利用数控机床加工成型。飞行器1的边沿口径为Φ50mm，抛物面焦距为10mm，整体质量为4.2g，内表面光学抛光，反射率约80％，飞行器1底部边沿开有四个对称凹槽用以同传动杆7配合定位。
激光器采用中国科学院电子学研究所研制的高重复脉冲频率TEA CO2激光器，单脉冲能量为13J，激光脉冲的10％极大值处的全宽度约为3μs，半极大值处全宽度小于200ns，激光脉冲重复频率为50Hz。
采用上述装置进行实验时，当旋转台2转速为700r.p.m时，成功实现了激光推进自由飞行演示。飞行器1自由飞行的高度超过了2.6m，触及实验室屋顶。图2为采用该装置实现激光推进自由飞行演示的飞行过程记录图片。
权利要求
1.一种激光推进自由飞行演示装置，由飞行器和发射平台两部分组成，发射平台包括旋转台、导光镜、电机、传动机构、平台支架；其特征在于，飞行器放置在旋转台上，发射激光前，启动电机，通过传动机构驱动旋转台，旋转台通过传动杆，带动飞行器随旋转台同步转动，使飞行器绕其对称轴自转；此时，发射激光，激光束经导光镜照射在飞行器抛物面型内表面，能量聚焦后将空气击穿，使其发生离子化，变成高温高压的等离子体由飞行器下部喷口喷出，形成反作用力，推动飞行器升空飞行。
2.如权利要求1所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，飞行器采用铝质抛物面旋转体轴对称结构，内表面经过抛光处理，反射率在70％以上，射入的激光光束经其内表面反射，在抛物面的焦点处聚焦；发射平台的旋转台、传动机构和电机置于平台支架上部平面，旋转台位于平台支架上部平面左部，电机位于平台支架上部平面右部，两者以传动机构相连；飞行器置于旋转台上口，为将激光光束导入飞行器内的聚焦面，旋转台为中空管状结构；复数个传动杆均布于旋转台外缘，传动杆的上部为光杆，下部为螺纹杆，螺固于旋转台侧面；飞行器底部边沿开有复数个对称凹槽用以同复数个传动杆配合；旋转台向下投影中心位置，在平台支架下部平面上，设有精密俯仰旋转光学平台，导光镜通过45度楔面，固定在精密俯仰旋转光学平台上；飞行器对称轴、旋转光学平台转动轴、激光光束中心轴三者重合；整个装置通过平台支架连接固定。
3.如权利要求2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述旋转台为中空管状结构，其中空部分为铝质导光管，导光管与旋转台上表面的交界处为旋转台上口，即出光口，激光可通过其导光管下口射入，经出光口出射，导入飞行器并推动飞行器飞行。
4.如权利要求1或2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述旋转台，其底部内嵌在一个轴承内圈中，轴承的外圈固定在平台支架上部平面中的支撑件上，轴承可承受的最大转速不低于3000转/分钟。
5.如权利要求4所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述轴承，直径为Φ40mm-Φ200mm。
6.如权利要求2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述复数个传动杆与旋转台的连接，是旋转台的顶部设有复数个对称的槽位，复数个传动杆，其上半部为直径Φ1mm-Φ10mm的光杆，下半部为M2-M10的螺纹，每根传动杆通过上下两个螺母，调整其突出旋转台面的高度及距离旋转台中心的径向位置，使其相对于旋转台中心对称，并固定在旋转台的四个槽位上，以更好地与飞行器配合。
7.如权利要求2或4所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述复数个传动杆，为四个传动杆，飞行器底部边沿开有复数个对称凹槽，为四个凹槽。
8.如权利要求1或2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述导光镜，为铜质，表面经过抛光镀金处理，对CO2激光的反射率达99％以上；导光镜背面通过一个加工为45度的铝质斜面，固定在精密光学俯仰旋转调整光学平台的面上，光学平台的调节范围为+/-1.5度。
9.如权利要求1或2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述传动机构分别与旋转台侧壁横截面为梯形的凹槽和电机轴套上的凹槽相连；传动机构，是传动皮带，或是传动齿轮。
10. 如权利要求1或2所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述发射激光，是采用高重复频率脉冲CO2激光器发射。
11.如权利要求1、2或9所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述电机，为直流或交流伺服电机，额定功率为50W-500W，转速为3000rpm-8000rpm。
12.如权利要求2或6所述的激光推进自由飞行演示装置，其特征在于，所述旋转台上的传动杆，其突出旋转台面的高度为2-20毫米，以既能实现带动飞行器稳定旋转又不影响其自由飞行。
全文摘要
本发明是一种激光推进自由飞行演示装置，利用绕对称轴高速自旋的物体其自旋轴具有较高稳定性的原理，在发射激光前，使激光推进的飞行器预先高速自旋，从而维持激光推进中飞行器飞行姿态的稳定性。该装置由飞行器和发射平台两部分组成，其中发射平台由导光镜、电机、传动机构、旋转台和平台支架组成。使用时，由电机通过传动机构带动旋转台高速旋转，旋转台带动安装在其上的飞行器高速转动，高能量重复频率脉冲激光通过发射平台下部的导光镜，射入飞行器，飞行器在激光支持爆轰波的作用下向上飞行，并维持飞行方向的稳定，实现激光推进自由飞行。本发明装置用于激光推进研究和激光推进自由飞行演示，装置结构简单、成本低廉，有良好的应用前景。
文档编号G09B25/02GK1979595SQ200510130
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月8日 优先权日2005年12月8日
发明者谭荣清, 郑义军, 张阔海, 柯常军, 刘世明, 万重怡 申请人:中国科学院电子学研究所