一种基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法

摘要

本发明涉及空间碎片利用技术领域，尤其涉及一种基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法。该装置包括装置本体以及分别设置在所述装置本体上的光学准直机构、光学分光机构、光学工质耦合机构和工质供给机构，其中所述光学分光机构设置在所述光学准直机构的底部，各所述光学工质耦合机构分别与各所述工质供给机构一一对应连接。本发明将空间碎片作为激光推进的固态工质，利用激光与收集到的空间碎片相互作用，引起空间碎片烧蚀和气化并电离形成等离子体，等离子体爆燃波压缩空间碎片表面产生推力，从而实现空间碎片的再利用，具有结构简单，能量转化利用效率高，不会对空间环境造成二次污染的优点，可直接应用于空间飞行器的在轨控制。

说明书

技术领域

本发明涉及空间碎片利用技术领域，尤其涉及一种基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法。

背景技术

空间碎片长期以来作为有害的存在对航天活动产生了制约与危害,而空间碎片的日益增多，已经严重影响了空间安全。空间维护的传统方式是将空间碎片清除离轨，这样固然能保护空间飞行器的运行环境，但也造成了这些空间碎片物质的直接浪费，因此探索一种将空间碎片有效的利用起来为空间飞行器服务的新途径极具应用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法，解决传统空间维护方式存在的空间碎片物质无法有效利用的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光推进的空间碎片能量转化装置，包括装置本体以及分别设置在所述装置本体上的光学准直机构、光学分光机构、至少一个光学工质耦合机构和至少一个工质供给机构，其中所述光学分光机构设置在所述光学准直机构的底部，各所述光学工质耦合机构分别对应设置在所述光学分光机构的光束输出方向上，各所述光学工质耦合机构分别与各所述工质供给机构一一对应连接；

所述光学准直机构用于将入射激光束进行准直，并将准直后的准直激光束传输至所述光学分光机构；

所述光学分光机构用于将所述准直激光束分成至少一个方向的分体激光束，并将所述分体激光束传输至所述工质耦合机构；

所述工质供给机构用于向所述工质耦合机构输送固态工质；

所述工质耦合机构利用所述分体激光束与所述固态工质发生烧蚀耦合，形成等离子体反喷产生推力。

进一步地，所述光学准直机构包括菲涅耳透镜和聚集透镜，所述菲涅耳透镜用于将所述入射激光束聚焦在所述菲涅耳透镜的焦点上，形成点光源，所述聚集透镜的焦点与所述菲涅耳透镜的焦点相同，位于焦点的点光源经过所述聚集透镜形成平行光束。

进一步地，所述光学分光机构包括至少一个分光镜以及与所述分光镜相配合的多个反射镜，各所述分光镜分别用于将所述准直激光束分成沿指定方向的分体激光束，所述反射镜用于将所述分体激光束反射至指定位置。

进一步地，所述工质供给机构包括行程控制器、与所述行程控制器连接的工质推送板、以及工质支撑板，其中所述行程控制器用于控制所述工质推送板的运动位置，所述工质推送板用于带动固态工质运动，所述工质支撑板用于支撑所述固态工质。

进一步地，所述工质耦合机构包括耦合腔体，所述耦合腔体设有分体激光束输入通道、固态工质输入通道和离子体反喷输出通道。

进一步地，还包括设置在所述装置本体上的激光器，所述激光器用于向所述光学准直机构发出入射激光束。

具体地，所述光学分光机构与所述光学准直机构通过第一卡扣结构连接，所述光学工质耦合机构与所述工质供给机构通过第二卡扣机构连接。

本发明还提供了一种基于激光推进的空间碎片能量转化方法，将上述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置安装到飞行器上；

该方法具体包括如下步骤：

第一步，将收集到的空间碎片制作为圆柱状固态工质，并将所述圆柱状固态工质加载到所述的空间碎片能量转化装置中；

第二步，通过激光器发射入射激光束至光学准直机构，经过所述光学准直机构完成入射激光束的准直，并将准直后的准直激光束传输到光学分光机构；

第三步，所述光学分光机构按需要将所述准直激光束分成至少一个方向的分体激光束，并将所述分体激光束输出至工质耦合机构；

第四步，通过工质供给机构将所述圆柱状固态工质推送至所述工质耦合机构，使所述圆柱状固态工质与所述分体激光束相互作用形成等离子体反喷产生推力；

第五步，通过所述推力直接为飞行器提供在轨动力，实现空间碎片能量的直接转化利用。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、本发明所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法，采用激光与空间碎片直接作用产生离子体喷射形成推力的方式，实现了空间碎片离子化与能量利用的紧耦合，简化了空间碎片利用的过程。

2、本发明所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法，通过空间碎片与激光相互作用产生离子体后喷射，不会产生新的颗粒物质，不会对空间环境造成二次污染，在清洁利用空间碎片的同时也实现了空间碎片的有效清除。

3、本发明所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置，结构简单，转化利用效率高，可直接应用于空间飞行器的在轨控制。

附图说明

图1是本发明实施例一基于激光推进的空间碎片能量转化装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二基于激光推进的空间碎片能量转化装置的结构示意图；

图3是本发明基于激光推进的空间碎片能量转化装置的光学准直机构示意图；

图4是本发明基于激光推进的空间碎片能量转化装置的光学分光机构示意图；

图5是本发明基于激光推进的空间碎片能量转化装置的反射镜布置示意图；

图6是本发明基于激光推进的空间碎片能量转化装置的工质供给机构示意图；

图7是本发明基于激光推进的空间碎片能量转化装置的工质耦合机构的工作原理图。

图中：1：光学准直机构；101：菲涅耳透镜；102：聚集透镜；2：光学分光机构；201：第一分光镜；202：第二分光镜；203：第三分光镜；204：第四分光镜；205：反射镜；3：光学工质耦合机构；4：工质供给机构；401：行程控制器；402：工质推送板；403：工质支撑板；5：分体激光束；6：点光源；7：固态工质；8：冲量耦合面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的基于激光推进的空间碎片能量转化装置，包括装置本体以及分别设置在所述装置本体上的光学准直机构1、光学分光机构2、一个光学工质耦合机构3和一个工质供给机构4，其中所述光学分光机构2设置在所述光学准直机构1的底部，所述学工质耦合机构3对应设置在所述光学分光机构2一个光束输出方向上，所述光学工质耦合机构3与所述工质供给机构4连接。

使用时，所述光学准直机构用于将入射激光束进行准直，并将准直后的准直激光束传输至所述光学分光机构。所述光学分光机构用于将所述准直激光束分成一个指定方向的分体激光束，并将所述分体激光束传输至所述工质耦合机构。所述工质供给机构用于向所述工质耦合机构输送固态工质。所述工质耦合机构利用所述分体激光束与所述固态工质发生烧蚀耦合，形成等离子体反喷产生推力。

实施例二

如图2所示，本实施例提供的基于激光推进的空间碎片能量转化装置，包括装置本体以及分别设置在所述装置本体上的光学准直机构1、光学分光机构2、四个光学工质耦合机构3和四个工质供给机构4，其中所述光学分光机构2设置在所述光学准直机构1的底部，各所述光学工质耦合机构3分别对应设置在所述光学分光机构2的前、后、左、右四个光束输出方向上，各所述光学工质耦合机构3分别与各所述工质供给机构4一一对应连接。

使用时，所述光学准直机构用于将入射激光束进行准直，并将准直后的准直激光束传输至所述光学分光机构。所述光学分光机构用于将所述准直激光束分成前、后、左、右四个指定方向的分体激光束，并将所述分体激光束传输至对应的工质耦合机构。所述工质供给机构用于向所述工质耦合机构输送固态工质。所述工质耦合机构利用所述分体激光束与所述固态工质发生烧蚀耦合，形成等离子体反喷产生推力。

此外，根据实际需要，本发明所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置，还可以在所述光学分光机构指定的两个方向或三个方向上，对应设置两个或三个光学工质耦合机构，以及相对应的两个或三个工质供给机构。

如图3所示，所述光学准直机构1包括菲涅耳透镜101和聚集透镜102，所述菲涅耳透镜101用于将所述入射激光束聚焦在所述菲涅耳透镜101的焦点上，形成点光源6，所述聚集透镜102的焦点与所述菲涅耳透镜101的焦点相同，位于焦点的点光源6经过所述聚集透镜102形成平行的准直激光束。

在实施例1的基础上，所述光学分光机构包括一个分光镜以及与之配合的多个反射镜，其中所述分光镜用于将所述准直激光束分成沿指定方向的分体激光束，所述反射镜用于将所述分体激光束反射至指定位置。同理，如图4所示，在实施例2的基础上，所述光学分光机构2包括四个分光镜以及多个反射镜，其中所述的四个分光镜分别为第一分光镜201、第二分光镜202、第三分光镜203和第四分光镜204，所述的第一分光镜201、第二分光镜202、第三分光镜203和第四分光镜204从上到下依次排列设置。其中所述的第一分光镜201、第二分光镜202、第三分光镜203和第四分光镜204用于将准直后的主体激光束分别分成右分体光束、左分体光束、前分体光束和后分体光束。

根据需要将分体激光束反射到指定位置时，每个分光镜需要配合不同数量的反射镜，由于反射位置的不同，反射镜的布置方式也不相同。如图5所示为其中一种反射镜布置方式，通过所述反射镜205能够将所述分体激光束反射至指定位置。

如图6所示，所述工质供给机构4包括行程控制器401、与所述行程控制器401连接的工质推送板402、以及工质支撑板403，其中所述行程控制器401用于控制所述工质推送板402的运动位置，所述工质推送板402用于带动固态工质7运动，所述工质支撑板403用于支撑所述固态工质7。工作时，行程控制器401控制工质推送板402向外推出固体工质，为所述工质耦合机构输送固态工质7，其中固态工质7的外端面即为激光束与固态工质作用的冲量耦合面8。

所述工质耦合机构包括耦合腔体，所述耦合腔体设有分体激光束输入通道、固态工质输入通道和离子体反喷输出通道。如图7所示为所述工质耦合机构的工作原理图，其中所述工质耦合机构采用发射式烧蚀工作模式，实现工质的烧蚀，产生冲量。射式是指激光直接烧蚀固态工质产生喷射，而喷射方向与激光束方向在固态工质的同一侧。工作时，所述工质供给机构输出的固态工质通过固态工质输入通道进入到耦合腔体中，从光学分光机构输出的分体激光束通过分体激光束输入通道进入到耦合腔体中，使分体激光束直接烧蚀固态工质，形成等离子体反喷产生推力。

在上述各实施例中，所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置还包括激光器，所述激光器用于向所述光学准直机构1发出入射激光束。

在上述各实施例中，所述光学分光机构2与所述光学准直机构1通过第一卡扣结构连接，所述光学工质耦合机构3与所述工质供给机构4通过第二卡扣机构连接，结构简单，便于安装，使用方便。

本发明针对空间碎片能量转化利用需求，还提供一种基于激光推进的空间碎片能量转化方法，该方法将上述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置安装到飞行器上。

该方法具体包括如下步骤：

第一步，将收集到的空间碎片制作为圆柱状固态工质，并将所述圆柱状固态工质加载到所述的空间碎片能量转化装置中。

第二步，通过激光器发射入射激光束至光学准直机构，经过所述光学准直机构完成入射激光束的准直，并将准直后的准直激光束传输到光学分光机构。

第三步，所述光学分光机构按需要将所述准直激光束分成至少一个方向的分体激光束，并将所述分体激光束输出至工质耦合机构。

若采用实施例1所述的空间碎片能量转化装置，则所述光学分光机构将所述准直激光束分成一个方向的分体激光束。

若采用实施例2所述的空间碎片能量转化装置，则所述光学分光机构将所述准直激光束分成四个方向的分体激光束。

第四步，通过工质供给机构将所述圆柱状固态工质推送至所述工质耦合机构，使所述圆柱状固态工质与所述分体激光束相互作用形成等离子体反喷产生推力。

第五步，通过所述推力直接为飞行器提供在轨动力，实现空间碎片能量的直接转化利用。

综上所述，本发明实施例所述的基于激光推进的空间碎片能量转化装置及方法，基本原理是将空间碎片作为激光推进的固态工质，利用激光与收集到的空间碎片相互作用，引起空间碎片烧蚀和气化并电离形成等离子体，等离子体爆燃波压缩空间碎片表面产生推力，用于空间飞行器在轨控制，从而实现空间碎片的再利用，简化了空间碎片利用的过程，在清洁利用空间碎片的同时，实现了空间碎片的有效清除，具有结构简单，转化利用效率高，不会对空间环境造成二次污染的优点，可直接应用于空间飞行器的在轨控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。