一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置，包括激光器、水滴喷注器件、激光推进器和脉冲信号发生器；所述激光器，产生并向所述激光推进器发射激光；所述激光推进器，与所述激光器同轴设置；所述水滴喷注器件，设于所述激光推进器头部并向激光推进器提供水滴工质；所述脉冲信号发生器包括控制激光器的第一脉冲信号发生器和控制水滴喷注器件的第二脉冲信号发生器。水滴击穿比水滴汽化更加彻底，对工质的利用率更高，可以有效避免工质的浪费现象，同时进一步提高综合推进性能，获得更大的比冲、冲量耦合系数和能量转化效率。

说明书

技术领域

本发明涉及激光推进领域，特别涉及一种基于激光诱导水滴击穿原理 的激光推进装置及方法。

背景技术

激光推进是一种新型推进技术，利用高能激光与工质的相互作用产生 推力，推动光船前进。与传统的化学推进相比，激光推进具有比冲大、成 本低和安全环保等优点。在微小卫星发射、卫星姿轨控和太空垃圾清理等 领域具有广阔的发展前景。

国内外学者对气体工质、固体工质和液体工质的推进机理及性能进行 了详细的研究。气体工质被击穿后形成等离子体及激光支持爆轰波，通过 等离子体及激光支持爆轰波的反冲作用推动光船前进，气体工质击穿阈值 较大，对激光器的要求很高；气体工质激光推进比冲大，但冲量耦合系数 较小。固体工质在激光辐照作用下发生烧蚀反应，在烧蚀表面形成蒸汽或 等离子体，蒸汽或等离子体离开烧蚀表面产生反推力，当入射激光功率密 度较高时等离子体进一步演化为激光支持爆轰波，爆轰波具有很强的反冲 作用；固体工质激光推进比冲大，冲量耦合系数较小，与气体工质冲量耦 合系数在同一个量级。液体工质在低功率密度激光的辐照作用下剧烈汽化 产生爆炸性蒸汽，蒸汽向后喷射产生反推力，在高功率密度激光的辐照作 用下发生击穿效应，形成等离子体及激光支持爆轰波，通过等离子体及激 光支持爆轰波膨胀产生的反冲力推动光船前进；液体工质激光推进冲量耦 合系数大，但比冲和能量转化效率都很小，发生爆炸性汽化时会产生严重 的工质浪费现象。

如公开号为CN101737201A的中国专利公开了一种激光推进装置，其 包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室；其中所述激光 器用于产生激光；所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上； 所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述 推进剂基本上转换为等离子体；所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传 送给光船。该激光推进装置中使用的推进剂便是薄膜推进剂或轻质泡沫材 料推进剂，其可以一定程度上避免激光烧蚀固定推进剂时伴随的热传导以 及材料溅射造成的推进剂损失，但激光推进的综合性能不高。

为降低工质的击穿阈值、提高激光推进的综合性能，一种新的思路是 采用水滴工质代替大体积液体工质用于激光推进，目前仅有装备指挥技术 学院的李修乾等人对其推进性能进行了相关的实验研究。在其实验研究 中，按推力测试法设计了相关的实验装置，通过透镜聚焦激光，水滴通过 工质注入系统从推力器（即激光推进器）顶部注入，在推力器中被激光加 热产生爆炸性汽化现象，蒸汽与推力器发生耦合作用形成反推力。其实验 结果表明，冲量耦合系数为5.2×10^-4N/W，比冲约为100s，能量转化效率 达到了26%，综合推进性能得到了很大提高。

但在其实验研究中，入射激光的功率密度小于水滴的击穿阈值，没有 发生水滴击穿效应并进一步形成等离子体及激光支持爆轰波，仅研究了汽 化作用下水滴的推进性能，推进性能还有进一步提升的空间；激光的聚焦 方式及水滴的喷注方式还有进一步优化的余地；激光推进方法还有进一步 创新的方向。

发明内容

本发明提供了一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置及方 法，达到降低工质击穿阈值和提高激光推进综合性能的效果。

一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置，包括激光器、水滴 喷注器件、激光推进器和脉冲信号发生器；

所述激光器，产生并向所述激光推进器发射激光；

所述激光推进器，与所述激光器同轴设置；

所述水滴喷注器件，设于所述激光推进器头部并向所述激光推进器提 供水滴工质；

所述脉冲信号发生器，包括控制激光器的第一脉冲信号发生器和控制 水滴喷注器件的第二脉冲信号发生器。

所述水滴喷注器件包括储箱、管路和喷嘴，所述储箱通过管路与喷嘴 连接，喷嘴紧贴所述激光推进器的头部并向所述激光推进器喷注水滴工 质。

所述水滴喷注器件和激光推进器连成一体。水滴喷注器件与激光推进 器的一体化设置使水滴喷注器件中的喷嘴置于激光推进器的头部，两者牢 固连接。

所述激光推进器为抛物线形，激光器发射的平行激光经激光推进器的 内壁面反射后在抛物线焦点处发生聚焦。激光推进器的头部即抛物线形激 光推进器的顶部。

所述喷嘴产生的水滴的索特平均直径为10μm量级。

所述激光器为CO₂激光器，CO₂激光器产生和发射的激光为高能脉冲 激光，其产生和发射的激光波长为10.6μm，功率密度为10⁹W/cm²量级， 激光沿激光推进器轴线方向平行入射，激光束截面积与激光推进器截面积 相当。CO₂激光器发射的激光的波长与水滴工质的索特平均直径相近，能 够获得很好的推进性能。

所述水滴喷注器件通过喷嘴将水滴工质喷注入激光推进器中；喷嘴喷 射方向指向抛物线形激光推进器的焦点；喷嘴沿激光推进器轴向方向的投 影面积尽量小，以减小对内壁面反射激光的影响，喷嘴位置在推进器轴向 方向的投影点位于抛物线形激光推进器的顶点和焦点之间；喷嘴至少为3 个，以激光推进器轴线为中心均匀对称分布，喷嘴数量过多易削弱内壁面 对激光的反射作用；喷嘴的喷射角在保证喷出的水滴不会喷射到激光推进 器内壁面的基础上越大越好，喷射角尤以小于喷嘴与抛物线形激光推进器 的焦点的连线和喷嘴在抛物线形激光推进器上的切线所形成的夹角为最 适宜。

所述第一脉冲信号发生器和第二脉冲信号发生器的工作频率一致。第 一脉冲信号发生器通过控制信号触发激光器发射激光，第二脉冲信号发生 器通过控制信号开启喷嘴喷射水滴，将第一脉冲信号发生器和第二脉冲信 号发生器的工作频率设为一致，于是喷嘴的喷射频率与激光的发射频率便 一致，以使水滴完成喷注的瞬间恰好被入射激光击穿，保证水滴喷射过程 与激光入射及击穿过程同步进行。

一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进方法，包括以下步骤：

（1）第一脉冲信号发生器产生一个控制信号，触发激光器向激光推 进器发射激光；

（2）经过预先设置的一段延时时间后，第二脉冲信号发生器产生另 一个控制信号，开启喷嘴向激光推进器中喷射水滴工质；

（3）激光在激光推进器中发生聚焦，击穿水滴工质形成高温、高压 等离子体，等离子体进一步形成激光支持爆轰波，等离子体和激光支持爆 轰波迅速发展，当等离子体与激光推进器内壁面接触后，激光支持爆轰波 继续膨胀形成脉冲推力，推动与激光推进装置相连的光船前进。

按一定的频率重复步骤（1）-（3），可实现连续的脉冲激光推进过程， 为光船提供持续推力。重复步骤的频率必须小于100Hz，使前后两次反应 之间互不影响。

步骤（2）中，所述的延时时间具体视激光传输到激光推进器与水滴 运动到聚焦区域的具体时间差而定。

所述激光器发射的激光的功率密度大于水滴的击穿阈值并小于空气 的击穿阈值。

激光击穿水滴工质的击穿效应首先发生在抛物线形激光推进器的焦 点处；等离子体迅速形成并向四周膨胀，进一步形成激光支持爆轰波；等 离子体与激光推进器内壁面发生耦合作用，产生光船前进的反推力；激光 支持爆轰波以超声速向外传播，在抛物线形激光推进器中进一步加速，产 生脉冲推力。

激光与水滴的击穿反应持续时间为1ms量级，小于激光脉冲间隔时 间，每次重复反应之间互不影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）水滴工质的击穿阈值小于气体工质的击穿阈值，击穿现象容易 发生，在工程实际中易于实现。

（2）水滴击穿比水滴汽化反应更加彻底，对工质的利用率更高，可 以有效避免工质的浪费现象，同时进一步提高综合推进性能，获得更大的 比冲、冲量耦合系数和能量转化效率。

附图说明

图1为本发明基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置示意图；

图2为本发明采用推力测试法的一个激光推进装置实施例的示意图；

图3为图2中A-A剖面示意图；

图4为图2中抛物线形激光推进器构型示意图。

图中：101为CO₂激光器，102为第一脉冲信号发生器，103为激光 支持爆轰波，104为等离子体，105为激光聚焦区域，106为激光推进器， 107为喷嘴，108为管路，109为第二脉冲信号发生器，110为储箱，111 为光船，S11、S12为脉冲信号发生器产生的控制信号；201为CO₂激光器， 202为激光支持爆轰波，203为等离子体，204为激光聚焦区域，205为激 光推进器，206为喷嘴，207为示波器，208为脉冲信号发生器，209为储 箱，210为压电传感器，211为管路，212为金属针，S21、S22为脉冲信 号发生器产生的控制信号，S23为压电传感器感应的推力测试信号。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，应当明白， 以下仅作为例示性，并不限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种基于激光诱导水滴击穿原理的激光推进装置，包括 CO₂激光器101、水滴喷注器件、激光推进器106和脉冲信号发生器。CO₂激光器101，产生并向激光推进器106发射激光；水滴喷注器件和激光推 进器106连成一体并与CO₂激光器101同轴设置，水滴喷注器件设于激光 推进器106头部，水滴喷注器件是用于向激光推进器106提供水滴工质； 水滴喷注器件包括储箱110、管路108和喷嘴107，储箱110通过管路108 与喷嘴107连接，喷嘴107紧贴激光推进器106的头部并向激光推进器106 喷注水滴工质。激光推进器106的形状为抛物线形。脉冲信号发生器包括 控制CO₂激光器101的第一脉冲信号发生器102和控制水滴喷注器件的第 二脉冲信号发生器109。

第一脉冲信号发生器102产生控制信号S11启动CO₂激光器101发射 高能脉冲激光，其平行入射到激光推进器106并在抛物线的激光聚焦区域 105处发生聚焦，同时第二脉冲信号发生器109产生控制信号S12启动喷 嘴107，储箱110中的水工质通过管路108进入喷嘴107进行喷射，向激 光推进器106中喷注入水滴工质，激光聚焦并击穿水滴工质形成等离子体 104，等离子体104进一步形成激光支持爆轰波103，等离子体104急剧膨 胀与激光推进器106发生耦合作用，激光支持爆轰波103在抛物线形激光 推进器106中加速，产生反冲力推动光船111前进。

实施例2

如图2所示，图2为本发明采用推力测试法的一个激光推进装置实施 例的示意图，包括CO₂激光器201、水滴喷注器件、激光推进器205、脉 冲信号发生器和测试单元。CO₂激光器201，产生并向激光推进器205发 射激光；水滴喷注器件和激光推进器205连成一体并与CO₂激光器201同 轴设置，水滴喷注器件设于激光推进器205头部，水滴喷注器件是用于向 激光推进器205提供水滴工质；水滴喷注器件包括储箱209、管路211和 喷嘴206，储箱209通过管路211与喷嘴206连接，喷嘴206紧贴激光推 进器205的头部并向激光推进器205喷注水滴工质。激光推进器205的形 状为抛物线形。由于是在实验室中进行操作，可以使用一台脉冲信号发生 器208同时控制CO₂激光器201和喷嘴206；同时在抛物线形激光推进器 205的头部沿轴线方向引出一根金属针212，保证在较低功率密度时也能 发生击穿现象；压电传感器210紧贴于激光推进器205头部，实时将压电 传感器感应的推力测试信号S23发送到示波器207中。

在具体实施工程中，取激光推进器205轴线方向为x轴，纵向为y轴， 原点位于内壁面顶点，构形示意图如图4所示，其内壁面母线方程为：

y²＝2px，

其中p取为20mm，激光推进器205端面直径为100mm，高度为 62.5mm，焦点位置距激光推进器205头部为10mm，金属针212的长度为 20mm；内壁面光洁度为0.32，壁厚为1mm，材料为2A12铝合金。

储箱210中的水工质通过管路211进入喷嘴206进行喷射，向激光推 进器205中注入水滴工质，对喷嘴206的位置有如下要求：（1）喷嘴206 喷射方向指向抛物线焦点；（2）喷嘴206沿x轴方向投影面积尽量小，减 小内壁面对激光发射的影响；（3）喷嘴206的喷射角小于该点与焦点的连 线和该点切线方向所形成的夹角，避免水滴喷射到内壁面上，影响内壁面 对激光的反射效果；（4）喷嘴206数目不可过多，以x轴为中心均匀对称 分布。结合以上要求，本实验中采用4个喷嘴，如图3所示，激光推进器 205背面设置了4个喷嘴206，呈均匀对称分布；喷嘴206的喷射角为90°， 喷嘴206位于焦点的垂直方向，并指向抛物线焦点，如图2所示。

实验中用脉冲信号发生器208分别控制CO₂激光器201和喷嘴206， 每两次激光脉冲之间的时间间隔设置为10ms。

实施步骤如下：脉冲信号发生器208产生的控制信号S21启动CO2 激光器201发射高能脉冲激光，平行入射到激光推进器205并在焦点204 发生聚焦，同时脉冲信号发生器208产生的控制信号S22启动喷嘴206， 储箱209中的水工质通过管路211进入喷嘴206进行喷射，向激光推进器 205中注入水滴工质，聚焦激光在金属针212表面击穿水滴工质形成等离 子体203，等离子体203进一步形成激光支持爆轰波202，等离子体203 急剧膨胀与推进器205发生耦合作用，激光支持爆轰波202在抛物线形激 光推进器205中加速，耦合作用产生的反推力会同时触发压电传感器210 产生压电传感器210感应的推力测试信号S23，推力测试信号S23实时显 示在示波器207上。通过示波器207上推力曲线对时间的积分即可获得冲 量的大小，进而得出冲量耦合系数的数值。已知水滴喷注器件每次喷射的 水滴重量为一个定值，进而可以获得比冲的大小。研究结果表明，比冲理 论上最大值约为700s左右，推进性能获得了很大提高。