专利名称：低点火阈值吸气式激光推力器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光应用技术领域，特别是一种可实现低阈值等离子体点火的吸气式激光推力器。
背景技术：
随着人类探索和利用太空范围的大大拓展，未来的空间探测越来越需要航天推进技术的不断突破和创新。传统的化学火箭推进技术由于受工质燃烧温度的限制 G000K-5000K)，比冲小于500s，发射重量中燃料占了很大比例，有效载荷比仅约为1. 5%, 发射成本高达10000美元/kg，不仅造成了能源浪费而且产生了巨大的污染，因此寻求新型的推进方式已经成为航天领域的研究热点。1972年，美国学者Kantrowitz提出了利用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的设想，由此开创了激光推进研究的新领域。吸气式是激光推进的一种重要驱动方式，它利用空气作为工作物质，将激光脉冲聚焦后击穿空气，形成等离子体点火，高温、高压的等离子体团以爆轰波/爆燃波的形式迅速膨胀，并推动激光推力器
、产.、rr.作为吸气式激光推进研究中的重要组成部分，激光推力器技术研究起着举足轻重的作用，国内外的研究人员已经在激光推力器概念设计以及利用缩比模型进行性能测试和飞行演示方面做了大量卓有成效的工作。最为典型的激光推力器代表就是美国伦塞勒工学院的Myrabo等人提出的光船模型和德国航空航天局技术物理研究所的Bohn等人研究的铃形激光推力器，这些推力器的核心部件都是一个可以同时起到光学聚焦作用的喷管，图1 所示即为现有铃形激光推力器的剖面示意图(参考文献W. L. Bohn, W. 0. Schall. "Laser propulsion activities in Germany，，，in Beamed EnergyPropulsion :First International Symposium, A. V. Pakhomov, ed. U003)，p. 79.)。当入射激光脉冲照射到高反射率的喷管壁面，喷管壁面将激光脉冲聚焦到焦点区域，该区域的空气击穿后产生等离子体，聚焦激光脉冲前沿击穿空气的过程也称“点火”，点火后形成的等离子体团吸收激光能量，以爆轰波/爆燃波的形式迅速膨胀，膨胀的高温高压等离子团与喷管壁面发生动量耦合从而产生脉冲推力。一般情况下，对于激光推进中常用的TEACO2激光器而言，等离子体的点火阈值约为107W/cm2，然而，如果激光脉冲在聚焦之前传输了极远的距离以至于激光功率密度下降到点火阈值以下，或者激光脉冲本身的脉宽相对于短脉冲ω2激光器偏长导致激光功率密度下降，一般激光推力器的光学聚焦作用无法完成等离子体点火，也就无法产生有效的脉冲推力。
发明内容
本发明的目的在于公开一种低点火阈值吸气式激光推力器，该激光推力器简单、 实用，能够方便、有效地降低吸气式激光推进过程中的等离子体点火阈值，并顺利完成整个推力形成过程。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是—种低点火阈值吸气式激光推力器，包括喷管；其还包括点火针，在推力器内部加装点火针，从而有效降低该推力器在脉冲激光入射时的点火阈值。所述的吸气式激光推力器，其所述在推力器内部加装点火针，是将点火针一端固定于喷管的顶端或侧壁，固定方式既可以为焊接方式也可以通过在喷管管壁上打孔将点火针嵌入，另一端为自由端，该自由端的尖端部位于激光推力器聚焦光斑范围内。所述的吸气式激光推力器，其所述点火针，为钢、铁、铝、铜或钨金属材料制成。所述的吸气式激光推力器，其所述喷管，为具有一定线型的轴对称旋转面罩结构， 为抛物面型或圆锥型。所述的吸气式激光推力器，其所述喷管，为铝金属材料制成。本发明的低点火阈值吸气式激光推力器，成功地降低了等离子体点火阈值，实现了低功率密度条件下的吸气式激光推进。该装置结构简单、运行可靠、成本低廉，可广泛应用于激光推进研究领域。
图1为现有典型铃形激光推力器的剖面示意图；图2为本发明低点火阈值吸气式激光推力器采用抛物面型喷管结构的截面示意图；其中喷管1、点火针2;图3为本发明低点火阈值吸气式激光推力器用于长脉冲TE CO2激光推进的实验结果。
具体实施例方式本发明的低点火阈值吸气式激光推力器，主要由喷管和点火针组成；其中喷管内壁研磨抛光。点火针一端固定于喷管的顶端或侧壁，另一端为自由端，自由端为针尖形状，尖端的端点位于喷管聚焦光斑的焦点区域。喷管为具有一定线型的轴对称旋转面罩结构，线型可以为抛物面型、圆锥型或其他形状，采用轻质金属材料制作，如铝。点火针材料采用钢、铁、铝、铜、钨等金属材料制作。本发明在激光推力器内部加装点火针，根据激光与物质相互作用机理，点火针的金属尖端部位提供大量的自由电子，自由电子通过逆韧致辐射吸收聚焦的激光能量得到加速，加速后的电子与空气中的原子、离子、电子发生碰撞，使空气迅速离化为高能等离子体， 等离子体的高能量态加剧了空气中的级联电离，最终使空气彻底击穿，实现了等离子体点火，并完成整个推进过程。其工作流程是当入射激光脉冲进入激光推力器，并通过推力器的喷管壁面反射聚焦于焦点，焦点区域内点火针自由尖端提供大量的自由电子吸收激光能量，并在达到高能量态后通过碰撞电离加剧空气中的原子产生离化，并辅助完成整个点火过程。在空气击穿之后形成高温高压的等离子体团，等离子体团吸收后续激光脉冲能量后，以爆轰波/爆燃波的形式迅速膨胀，到达喷管壁面时通过动量耦合过程推动激光推力器前进。为进一步说明本发明的技术特征，下面结合附图对本发明作详细描述。
图2是本发明低点火阈值吸气式激光推力器采用抛物面型喷管结构的截面示意图。喷管1为轴对称抛物面形状，点火针2 —端嵌入喷管的顶端并通过抛物面的顶点，另一端的针尖与抛物面的焦点重合。
实施例激光推力器采用抛物面型轴对称旋转体结构，材质为硬铝，由数控机床加工成型， 内表面经过抛光后反射率高达90%以上，喷管的顶点和焦点之间的距离为5mm，边沿口径为 50mmo点火针的材质为钢材料，除尖端部分以外的直径为0. 6mm。激光推力器整体质量为68. 7g。激光器采用中国科学院电子学研究所研制的长脉冲TE CO2激光器，单脉冲能量可达到14J，脉宽可调，实验采用2(^8、32118和40 μ s三种脉宽。采用上述装置进行实验时，成功地将点火阈值从107W/cm2降低到106W/cm2，并实现了低功率密度条件下的吸气式激光推进，冲量耦合系数可达到203N/MW，实验结果如图3所示。
权利要求
1.一种低点火阈值吸气式激光推力器，包括喷管；其特征为，还包括点火针，在推力器内部加装点火针，从而有效降低该推力器在脉冲激光入射时的点火阈值。
2.根据权利要求1所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述在推力器内部加装点火针，是将点火针一端固定于喷管的顶端或侧壁，另一端为自由端，该自由端的尖端部位于激光推力器聚焦光斑范围内。
3.根据权利要求1或2所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述点火针，为钢、铁、铝、 铜或钨金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述喷管，为具有一定线型的轴对称旋转面罩结构，为抛物面型或圆锥型。
5.根据权利要求1或4所述的吸气式激光推力器，其特征为，所述喷管，为铝金属材料制成。
全文摘要
本发明公开了一种低点火阈值吸气式激光推力器，涉及激光技术，包括喷管、点火针，该点火针采用金属材料制成，其一端固定于喷管顶端或侧壁，另一端为自由端，该自由端的尖端部位于喷管聚焦光斑的焦点附近，能够有效降低激光推力器在脉冲激光入射时的点火阈值，有利于顺利实现“点火”。通常情况下，点火阈值可降低1个数量级。本发明适用于各种吸气式激光推力器，包括抛物面型激光推力器、圆锥型激光推力器等。
文档编号F02K9/97GK102297042SQ20101021841
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者谭荣清, 陈静 申请人:中国科学院电子学研究所