專利名稱：激光微流體微推進(jìn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光推進(jìn)領(lǐng)域，特別涉及一種激光微流體微推進(jìn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
微小衛(wèi)星的迅速發(fā)展使得研究高效、輕型、低功耗、小推力、微沖量的微推進(jìn)技術(shù)成為必須。激光微推進(jìn)技術(shù)具有推力精確，比沖較高和結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)受到成為研究的熱點(diǎn)。目前的激光微推進(jìn)技術(shù)主要包括反射式推進(jìn)技術(shù)(如圖I所示)和透射式推進(jìn)技術(shù)(如圖2所示)。反射式推進(jìn)的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是容易激光燒蝕的噴射物質(zhì)長達(dá)噴射5cm，很容易污染鏡頭。透射式推進(jìn)的結(jié)構(gòu)工質(zhì)采用磁帶式，工質(zhì)由透明基底、粘結(jié)劑層和工質(zhì)層三層構(gòu)成。激光透過基底燒蝕工質(zhì)層。由于光斑直徑只有幾十微米，磁帶的寬度方向有 Icm以上，長度更是達(dá)到了幾十米，因此，不僅要求激光器在工質(zhì)帶的寬度方向來回掃描，還要配合卷帶電機(jī)一起形成二維運(yùn)動(如圖3所示)，才能實(shí)現(xiàn)激光對工質(zhì)的密集燒蝕。但透射式推進(jìn)技術(shù)存在以下技術(shù)問題工質(zhì)即使被密集燒蝕，孔間仍有空隙，材料不能被完全燒蝕，利用率上限也只有78%。工質(zhì)的一半重量是透明基底。需要兩組高速電機(jī)，空間潤滑問題面臨極大的挑戰(zhàn)。由于作用點(diǎn)上下移動，導(dǎo)致推力矢量變化，不利于衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種既不污染鏡頭，不會導(dǎo)致推力矢量變化及影響衛(wèi)星姿態(tài)的激光微流體微推進(jìn)裝置及方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種激光微流體微推進(jìn)裝置包括脈沖激光燒蝕裝置、噴口塊及推進(jìn)劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述噴口塊一側(cè)設(shè)置有透明基底，內(nèi)部設(shè)有一微噴管道；所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑通過一微管與所述微噴管道連接；所述脈沖激光燒蝕裝置通過所述透明基底燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種激光微流體微推進(jìn)方法包括通過所述推進(jìn)劑供給裝置向所述噴口塊內(nèi)部的微噴管道推送推進(jìn)劑；通過脈沖激光燒蝕裝置照射所述透明基底，燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。根據(jù)本發(fā)明提供的激光微流體微推進(jìn)裝置及方法不僅不污染鏡頭，推力矢量不變化，而且同時可為微小衛(wèi)星提供較具有較高比沖和推功比。


圖I是現(xiàn)有反射式推進(jìn)技術(shù)的示意圖；圖2是現(xiàn)有透射式推進(jìn)技術(shù)的示意圖；圖3是圖2所示二維運(yùn)動對透射式工質(zhì)的燒蝕效果示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的激光微流體微推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的激光微流體微推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的工質(zhì)的離散元模型的示意圖；圖7是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = 5. 5ns時的仿真結(jié)果示意圖；圖8是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = Ilns時的仿真結(jié)果示意圖；圖9是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = 22ns時的仿真結(jié)果示意圖；
圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = 40ns時的仿真結(jié)果示 意圖；圖11是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = 66ns時的仿真結(jié)果示意圖；圖12是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = IOOns時的仿真結(jié)果示意圖；圖13是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對20um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖14是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對25um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖15是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對30um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖16是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對40um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖17是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對50um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖18是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的對60um厚的工質(zhì)在t = IlOns時的數(shù)值模擬示意圖；圖19是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的比沖隨工質(zhì)厚度變化的關(guān)系的示意圖；本發(fā)明目的、功能及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種激光微流體微推進(jìn)裝置包括脈沖激光燒蝕裝置、噴口塊3及推進(jìn)劑供給裝置及等離子體加速裝置。噴口塊一側(cè)設(shè)置有透明基底4，內(nèi)部設(shè)有一微噴管道7。推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑通過一微管6與微噴管道7連接。脈沖激光燒蝕裝置通過透明基底4燒蝕微噴管道7中的由推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。推進(jìn)劑供給裝置包括儲液箱I及微管6。儲液箱I包括帶活塞的彈簧101及液體工質(zhì)102。彈簧101將液體工質(zhì)102通過微管6推送到微噴管道7中。微管6設(shè)置有用于控制微管關(guān)閉的微管閥門2。脈沖激光燒蝕裝置包括脈沖光纖激光器5和聚焦鏡9。脈沖光纖激光器5產(chǎn)生的激光依次通過聚焦鏡9及透明基底4照射到微噴管道7中的推進(jìn)劑上。噴口塊3還設(shè)置有噴頭閥門10，用于控制微噴管道7的關(guān)閉。
激光微流體微推進(jìn)裝置具體的工作方式是I、工作狀態(tài)當(dāng)接收工作命令后，微管閥門2打開，儲液箱I內(nèi)的液體工質(zhì)102在推力彈簧101活塞的擠壓下，順著微管6流入到噴口塊3內(nèi)部的微噴管道7。脈沖光纖激光器5收到工作命令后，激光束經(jīng)過聚焦鏡頭9后過過透明基底4匯聚到微噴管道7的左側(cè)，開始燒蝕內(nèi)部的液體。此時噴口閥門10也開啟，液體在高能激光8的作用下開始?xì)饣?，體積劇烈膨脹，由于透明基底4的約束，形成的微噴射氣體11從微噴管道7的右側(cè)噴出，形成向左的推力。2、不工作狀態(tài)微管閥門2和噴口閥門10處于關(guān)閉狀態(tài)，推進(jìn)器處于不工作狀態(tài)。推力器在空間面臨的兩個問題如果沒微管閥門2的限制，液體將會不斷的被擠壓出去，所以需要微管閥門2處于常閉狀態(tài)。此外，僅有微管閥門2還是不夠，每次工作后，介于微管閥門2到噴口管道7這一段可能還有殘余液體，因此本發(fā)明實(shí)施例中采用的是有機(jī)類推進(jìn)劑(如肼)，其中含有不易揮發(fā)的成分(含能顆粒等)。采用不易揮發(fā)的成分的好處是防止殘留物堵塞管，因?yàn)橛袡C(jī)成分的揮發(fā)，會導(dǎo)致殘留物堵塞管內(nèi)，阻礙液態(tài)工質(zhì)的供給。
3、噴口清理本發(fā)明實(shí)施例提供的激光微流體微推進(jìn)裝置雖然有微管閥門2和噴口閥門10的存在，可大大降低的噴口殘留工質(zhì)的干結(jié)堵塞。但每隔一段時間，還是要對噴口進(jìn)行清理。將微管閥門2關(guān)閉，噴口閥門10打開，激光8開始工照射噴口管道7，將處噴口處的結(jié)塊燒蝕從噴口管道7右側(cè)噴出，從而打通管道。另外，工質(zhì)厚度(即微噴管道7的寬度)對推進(jìn)效果有很大影響。噴口管道7寬度越寬，產(chǎn)生的推力越大，但是推進(jìn)劑的消耗越多；噴口越窄，推力較小，但是推進(jìn)消耗少，使用的壽命長。一般采用比沖和推功比這兩個參數(shù)來衡量推進(jìn)效果，比沖的定義為Isp = V/g(l)，其中，V為燒蝕產(chǎn)生的等離子體的噴射速度，g為重力加速度。由上式(I)可見，噴射速度越高，比沖就越高。比沖越高，產(chǎn)生相同沖量所消耗的推進(jìn)劑的質(zhì)量就越低，衛(wèi)星在攜帶相同質(zhì)量的推進(jìn)劑在軌運(yùn)行的時間也就越長。推功比的定義如下所示，即Cm = F/P(2)，其中，F(xiàn)為產(chǎn)生的推力，P為輸入電功率?？梢娤嗤姽β氏拢珻m值越大，推力F就越大。對于重量只有IOOkg左右的微小衛(wèi)星，只能產(chǎn)生幾十W的電力，如果推功比太低，產(chǎn)生的推力就太小，不能完成衛(wèi)星軌道保持和快速調(diào)姿等對速度要求較高的任務(wù)。為清楚說明工質(zhì)厚度對于燒蝕效果的影響，采用離散元方法對燒蝕過程進(jìn)行了初步數(shù)值模擬。含能工質(zhì)的燒蝕過程是一個十分復(fù)雜的物理、化學(xué)和力學(xué)過程。本數(shù)值模擬中將不考慮工質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，推進(jìn)工質(zhì)和產(chǎn)物也都內(nèi)簡化為均勻物質(zhì)。對于噴口管道中的厚度只有40 μ m工質(zhì)的建模如圖6所顯示。單個元的尺寸為3.05um，由13層構(gòu)成，加載激光的功率密度I = I. 8X10W/cm，脈寬τ = O. 8ms。光斑的尺寸為50μπι。仿真結(jié)果如圖7-12所示。圖7-12分別是對40um工質(zhì)在不同時刻的仿真結(jié)果。其中，在5. 5ns時，底部顆粒開始向上壓縮上向的顆粒(參見圖7)。在Ilns時，底部顆粒向上壓縮，但此時表面還沒有形成凸起(參見圖8)。在22ns時，工質(zhì)表面收擠壓已形成了凸起(參見圖9)。在40ns時間,表面已經(jīng)開始破裂,顆粒元向外噴出(參見圖10)。到了 66ns時間部分顆粒已經(jīng)飛到了距離靶材表面150um的地方(參見圖11)。到了 IlOns飛到了距離靶材表面大約250um的距離(參見圖12)。基于上述流程，分別就20、25、40、50、60um厚的工質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖13-18所示。如圖13所示，對20um厚的工質(zhì)，噴射最為猛烈，在IlOns的飛行高度就達(dá)到了300um，噴口叫較為干凈，殘留物比較受，底部燒蝕比較干凈。而對于60um厚的工質(zhì)，如圖18所示，在IlOns的時候，表層工質(zhì)剛開始炸開。根據(jù)前面公式2的定義，比沖和噴出速度有直接的關(guān)系，所以通過對于噴出顆粒的速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)就可以得到相關(guān)的比沖，各種厚度的比沖統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖19所示，可以看出，隨著厚度的增加，比沖迅速下降。這也就直觀地解釋了厚度對推進(jìn)性能的影響。工質(zhì)越厚，被激光直接燒蝕利用的工質(zhì)相對較少，上層有越多的工質(zhì)是被擠壓出去，飛行速度很慢，比沖比較低。對于較厚的工質(zhì)但由于每次噴出的質(zhì)量較多，雖然噴射速度較低，也能形成較大的推力。高比沖和大推力各有其應(yīng)用背景，當(dāng)對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制時，需要的推力很小50uN，此時希望可以選擇寬度較小的推力器裝置，當(dāng)用于衛(wèi)星的軌道保持的時候，推力需要IOO-IOOOuN,可犧牲一部分比沖，選擇寬度較大的推力器裝置。另外，表I給出了本發(fā)明實(shí)施例提供的激光微流體微推進(jìn)裝置和傳統(tǒng)激光微推進(jìn)器的參數(shù)比較。表I
作方式固體本發(fā)明 相關(guān)__
工質(zhì)固體薄膜(包含工質(zhì)層、枯結(jié)液體薄膜
__層和工質(zhì)層)__
效率一般質(zhì)量不能；工質(zhì)本身消耗100%消耗
__上限78%__
推功比__10 dyne/W__50-100dyne/W_
結(jié)構(gòu)需要兩路電機(jī)供給結(jié)構(gòu)比較復(fù)僅需彈簧擠壓裝置
__^__
推力矢量__上下移動__ _本發(fā)明實(shí)施例基于圖4所示的裝置提供一種透射式液體激光微推進(jìn)方法包括步驟SI、通過所述推進(jìn)劑供給裝置向所述噴口塊內(nèi)部的微噴管道推送推進(jìn)劑；步驟S2、通過脈沖激光燒蝕裝置照射所述透明基底，燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。本發(fā)明提供的激光微流體微推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，將能更好的滿足微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道保持、編隊(duì)飛行等復(fù)雜任務(wù)。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于，包括 脈沖激光燒蝕裝置、噴口塊及推進(jìn)劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述噴口塊一側(cè)設(shè)置有透明基底，內(nèi)部設(shè)有一微噴管道；所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑通過一微管與所述微噴管道連接；所述脈沖激光燒蝕裝置通過所述透明基底燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于，所述推進(jìn)劑供給裝置包括 儲液箱及微管；所述儲液箱包括帶活塞的彈簧及液體工質(zhì)；所述彈簧將所述液體工質(zhì)通過所述微管推送到所述微噴管道中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于 所述微管設(shè)置有用于控制所述微管關(guān)閉的微管閥門。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于，所述脈沖激光燒蝕裝置包括 脈沖光纖激光器和聚焦鏡，所述脈沖光纖激光器產(chǎn)生的激光依次通過所述聚焦鏡及所述透明基底照射到微噴管道中的所述推進(jìn)劑上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4任一項(xiàng)所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于 所述噴口塊還設(shè)置有噴頭閥門，用于控制所述微噴管道的關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于 所述微噴管道的寬度為20-300um。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光微流體微推進(jìn)裝置，其特征在于 所述微噴管道的內(nèi)徑為50-200um。
8.一種基于權(quán)利要求I所述裝置的激光微流體微推進(jìn)方法，其特征在于，包括 通過所述推進(jìn)劑供給裝置向所述噴口塊內(nèi)部的微噴管道推送推進(jìn)劑； 通過脈沖激光燒蝕裝置照射所述透明基底，燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括 通過一微管閥門控制所述推進(jìn)劑是否推送到所述微噴管道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括 通過關(guān)閉所述微管閥門，打開所述噴口塊處的噴口閥門6，通過所述脈沖激光燒蝕裝置照射所述噴口管道，將處于噴口處的結(jié)塊燒蝕并從管道右側(cè)噴出，從而打通管道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光微流體微推進(jìn)裝置及方法。所述裝置包括脈沖激光燒蝕裝置、噴口塊及推進(jìn)劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述噴口塊一側(cè)設(shè)置有透明基底，內(nèi)部設(shè)有一微噴管道；所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑通過一微管與所述微噴管道連接；所述脈沖激光燒蝕裝置通過所述透明基底燒蝕所述微噴管道中的由所述推進(jìn)劑供給裝置提供的推進(jìn)劑。根據(jù)本發(fā)明提供的激光微流體微推進(jìn)裝置及方法不僅不污染鏡頭，推力矢量不變化，而且同時可為微小衛(wèi)星提供較具有較高比沖和推功比。
文檔編號F03H1/00GK102777341SQ20111011796
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者張興華, 蔡建 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所