基于太阳光的航天器光推进系统

摘要

本发明提供了一种基于太阳光的航天器光推进系统，包括：太阳光集束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器、光推进器和固体推进剂，太阳光集束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器和光推进器依次连接，固体推进剂设置在光推进器表面。本发明具有降低航天器研制成本、提高航天器总体可靠性且适用范围广泛的有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及太空飞行航天器的光推进技术，具体地，涉及一种基于太阳光的航天 器光推进系统。

背景技术

航天器在太空中工作时，需要进行轨道转移、姿态调整等推进系统工作。要完成上 述工作，航天器内应当配置有相应的系统。现有的航天器一般采用化学推力技术，这是 目前主流的航天器推进方法，全球、包括我国目前所投入使用的卫星型号大多采用化学 推进方式。在航天器飞行路程远时，所携带的化学燃料更是数量巨大，例如俄罗斯福布 斯火卫一探测器，采用化学推进方式提供动力，携带了超过11吨的无水肼燃料，占总 重的85%，提供约4.5km/s的速度增量。采用化学推进方式，需要携带大量推进剂，由 于整星质量庞大，推进剂所提供的速度增量有限。

为克服化学推进方式的缺点，电推进方式是目前较新型的推进方案，美国黎明号主 带小行星探测器，采用电推进的方式提供动力，携带了400kg的高压氙气推进剂，占总 重的32%，提供约10km/s的速度增量。即便如此，该速度增量也仅为地球发射时公转提 供速度的三分之一。电推进方式相比化学推进，可以大大降低推进剂的携带量。但是， 由于卫星通过太阳帆板进行光电转换的效率不到30%，因此一台400W功率的电推进器需 要至少1m2的太阳帆板为其供电，这对整星能源产生负担。

本发明为航天器飞行过程中提供了高比冲、高推力相结合的太阳光推进技术。太阳 光推进技术是将聚焦的太阳能转化成热能，利用热能加热推进剂，聚集器收集太阳能辐 射，将收集的太阳能送到光学波导输送线，光纤将高强度太阳辐射送到热收集器，并有 效产生高性能推力。使得高比冲与高推力/重量组合起来，而且大尺度的太阳能推进无 需星上能源供应，成本较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于太阳光的航天器光推进系 统，本发明实现航天器的太阳光推进功能，满足航天器的全过程轨道转移、姿态调整等 推进要求，以及长期在轨推进、轨道注入等推进要求，且降低推进系统的资源需求，提 高了航天器推进系统的可靠性，达到降低航天器研制成本、提高航天器总体可靠性等有 益效果。

根据本发明的一个方面，提供一种基于太阳光的航天器光推进系统，包括：太阳 光集束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器、光推进器和固体推进剂，太阳光集 束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器和光推进器依次连接，固体推进剂设置在 光推进器表面。

优选地，太阳光集束器包括多组并列设置的汇聚透镜组和多个光导纤维，各汇聚 透镜组与对应的光导纤维的一端连接，光导纤维的另一端连接至太阳光分路器。

优选地，光导纤维采用芯径600μm的石英光纤。

优选地，太阳光集束器的集光面积大于5m²。

优选地，太阳光分路器包括选择性光栅和光栅控制器，选择性光栅与光导纤维连 接，光栅控制器与选择性光栅连接。

优选地，光栅控制器采用电光调制光子晶体光栅控制器。

优选地，太阳光纳米导管聚焦器采用光子晶体材料制成。

优选地，光推进器的推力为168～294mN，比冲为18～20kN·s/kg。

优选地，固体推进剂采用金属光激发材料。

本发明的工作原理及过程如下：航天器在太空航行时，太阳光集束器收集太阳光能， 汇聚透镜组实现太空中平行太阳光的汇聚与再平行，实现汇聚太阳光平行进入光导纤 维；之后，光导纤维将汇聚平行太阳光传输至太阳光分路器，光栅控制器根据航天器所 需推力大小的控制信息，控制选择性光栅运动，选择通过或断开特定能量的太阳光波束， 实现太阳光能的有效分配，满足不同光推力器的光能需求；然后，太阳光纳米导管聚焦 器将发散的太阳光聚集起来，形成很小的束斑，提高太阳光的功率密度；最后，经太阳 光纳米导管聚焦器聚焦的太阳光照射到金属光激发材料表面，金属光激发材料受光热激 发后，等离子体高速逸散，形成推力，推动光推力器运动。

本发明直接汇集太阳光作为光推进能源，利用太阳光汇聚所产生的光能加热光推进 器，解决了低功耗远距离空间推进问题，避免了航天器携带用于推进的大量化学推进剂， 提高了太阳光能量的利用率，降低了航天器推进、能源等分系统设计难度。本发明的应 用可以解决太阳系内空间航天器航行所需推进技术难点，对提高航天器航速和深空探测 范围、降低航行所需资源代价具有一定效果。与现有技术相比，本发明具有如下的有 益效果：

本发明实现了航天器的太阳光推进功能，满足航天器的全过程轨道转移、姿态调整 等推进要求，满足航天器长期在轨推进要求，满足地球静止轨道航天器的操纵需求，满 足航天器低地球轨道注入、地球静止轨道的注入等推进需求，降低了推进系统的资源需 求，提高了航天器推进系统的可靠性。并且，本发明可以使得航天器有长期在轨能力及 地球静止轨道的巨大操纵能力，在低地球轨道注入、地球静止轨道的注入以及可重复使 用的轨道转移器等方面都可广泛应用，适用范围广。因此，与现有技术相比，本发明具 有降低航天器研制成本、提高航天器总体可靠性且适用范围广泛的有益效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于太阳光的航天器推进系统的结构原理图；

图2为本发明实施例的太阳光集束器的结构原理图；

图3为本发明实施例的太阳光分路器的结构原理图；

图4为本发明实施例的太阳光纳米导管聚焦器的结构原理图；

图5为本发明实施例的光推进器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图5，一种基于太阳光的航天器光推进系统，包括：太阳光集 束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器、n个光推进器和固体推进剂，太阳光集 束器、太阳光分路器、太阳光纳米导管聚焦器和光推进器依次连接，固体推进剂设置在 光推进器表面。

本发明综合考虑航天器飞行过程中轨道、姿态和工作模式变化，优化设计各种光推 进参数。

太阳光集束器收集太阳光能，实现太阳光能的直接集束，提高光能密度。如图2所 示，其为本发明的太阳光集束器的结构原理图。太阳光集束器包括n组并列设置的汇聚 透镜组和n个光导纤维，各汇聚透镜组与对应的光导纤维的一端连接，光导纤维的另一 端连接至太阳光分路器。本实施例中，太阳光集束器集光面积大于5m²，按集光效率70%。 汇聚透镜组采用太阳光透镜，太阳光透镜实现太空中平行太阳光的汇聚与再平行，实现 汇聚太阳光平行进入纳米太阳光导纤维。纳米太阳光导纤维为表面非常光滑的空心毛细 导管，具体采用采用芯径600μm的石英光纤，轻便柔软便于安装，同时可实现太阳光 能的低损有效传输。每组太阳光透镜连接一根纳米太阳光导纤维，将汇聚的太阳光能量 传输到太阳光分路器。

太阳光分路器实现太阳光能的有效分配，满足不同光推力器的光能需求。如图3所 示，其为本发明的太阳光分路器的结构原理图，太阳光分路器包括选择性光栅和光栅控 制器，选择性光栅与光导纤维连接，光栅控制器与选择性光栅连接。光栅控制器根据航 天器所需推力大小的控制信息，控制光栅运动，选择通过或断开特定能量的太阳光波束。 本实施例中，太阳光分路器采用高功率转换的光纤直接连接光栅控制器，可以实现最大 光功率达2MW的光传输与通断控制。

光栅控制器采用光子晶体光栅控制器，一般采用电光调制方式，利用了光子晶体的 压电效应，即在某些晶体的特定方向施加压力时，对应表而上出现正或负的电荷，并且 电荷密度与压力大小成正比。具有压电效应的物体称作压电体(piezodectrics)。从原 理上讲，是因为光波在介质中的传播规律受介质折射率分布状况影响制约，而介质折射 率分布是由介质介电常数所决定的。而介电常数是随着作用在介质上的电场强度而变化 的。目前，电光调制已在光开光、光通信等领域得到了广泛应用。光栅控制器根据输入 根据航天器所需推力大小的控制信息，控制光栅通断，从单次发射的太阳光波束时间长 度和选择太阳光能量两方面控制传输的太阳波束。

本发明采用光导纤维实现太阳光能的有效传导，由太阳光分路器出来的太阳光经光 导纤维分别传送至不同安装位置的光推力器内。光推力器内的太阳光能经太阳光纳米导 管聚焦器实现太阳光能的有效汇聚。经太阳光纳米导管聚焦器汇聚后，用来激发金属光 激发材料，金属光激发材料受光热激发后，等离子体高速逸散，形成推力。

如图4所示，其为本发明太阳光纳米导管聚焦器的结构原理图。太阳光纳米导管聚 焦器将发散的太阳光聚集起来，形成很小的束斑，提高太阳光的功率密度。太阳光纳米 导管聚焦器采用光子晶体材料设计。光子晶体是两种以上具有不同介电常数的材料在空 间周期分布形成的人工结构与晶体中电子的能带结构类似,这种材料也具有光子的能带 结构.某些波段的光能自由地通过光子晶体,称为光子导带；其他波段的光被高度反射， 称为光子带隙。当光子晶体中有缺陷态时，就有局域模，这种模式的光将在缺陷态附近 局域，从而实现光的汇聚。太阳光纳米导管聚焦器将大面积范围内的太阳光会聚成高功 率密度的太阳光束，形成具有不同能量等级的太阳光束，为激发推进工质提供稳定性高、 聚焦性好的太阳光源。

光推进器实现航天器姿态控制用推进系统，如图5所示，其为本发明光推进器的结 构原理图。光推进器携带金属光激发材料（即金属棒），利用聚焦太阳光照射金属光激 发材料表面，利用其喷出的高温气体作为推力推动光推进器的抛物面喷管，带动光推进 器运动。具体地，光推进器的推力为168～294mN，比冲为18～20kN·s/kg。

本发明采用金属光激发材料作为固体推进剂的优点是不必携带气体或液体推进系 统那样的加压箱和管道等，结构简单、质量轻、可靠性高等。太阳光推进器可以构成高 效率推进装置，实现航天器的全过程轨道转移、姿态调整等推进功能。

从上述指标可以看出，本发明的基于太阳光的航天器光推进技术能够实现航天器的 全过程轨道转移、姿态调整等推进功能，满足航天器长期在轨推进要求，满足地球静止 轨道航天器的操纵需求，满足航天器低地球轨道注入、地球静止轨道的注入等推进需求， 降低推进系统的资源需求，提高航天器推进系统的可靠性。最终达到降低航天器研制成 本、提高航天器总体可靠性等有益效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。