專利名稱：激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于近地軌道微小衛(wèi)星發(fā)射或空間軌道轉(zhuǎn)移的推進(jìn)系統(tǒng)，尤其是 一種利用高能激光遠(yuǎn)距離提供推進(jìn)所需能量的激光推進(jìn)裝置。
背景技術(shù)：
推進(jìn)技術(shù)是航天運(yùn)載器的核心技術(shù)?，F(xiàn)有的航天推進(jìn)裝置多為液體或固體火箭發(fā) 動(dòng)機(jī)，用氧化劑與燃料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成高溫高壓的燃?xì)?，燃?xì)鈴膰姽車姵霎a(chǎn)生推力。它們 有一個(gè)共同點(diǎn)，就是通過(guò)噴管將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為噴氣動(dòng)能，利用反沖作用產(chǎn)生 推力。研究與實(shí)踐表明，對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于燃燒室溫度和燃燒產(chǎn)物分子量的 限制，發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖不會(huì)超過(guò)5000m/s。為了提高比沖，人們研究了多種非化學(xué)推進(jìn)方式，比 如電推進(jìn)、核能推進(jìn)和激光推進(jìn)等。激光推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)聚焦激光擊穿工質(zhì)形成高溫高壓的 等離子體，等離子體從噴管噴射出去對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反沖力。激光推進(jìn)系統(tǒng)的工質(zhì)與能源分 離，由遠(yuǎn)距離傳輸而來(lái)的高能激光提供推進(jìn)所需能量，可以獲得較高的比沖和推力。在推力較大的激光推進(jìn)系統(tǒng)中，為了將激光能量引入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)并聚焦激光實(shí)現(xiàn)工 質(zhì)與激光能量的耦合，有三種不同的耦合模式。其一，采用傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在燃燒室側(cè)面或噴注器位置開一窗口，將聚焦 激光束引入燃燒室。激光束在燃燒室中心位置聚焦，在焦點(diǎn)附近激光擊穿并加熱工質(zhì)。由 于整個(gè)燃燒室的工質(zhì)都要加熱，燃燒室尺寸不能做得太大，由此也限制了激光入射窗口的 大小。在高能激光和燃燒室工質(zhì)的傳熱作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)窗口將承受很大的熱載荷，窗口的實(shí) 現(xiàn)存在很大的技術(shù)難度。其二，采用光學(xué)系統(tǒng)與噴管一體化設(shè)計(jì)。激光從噴管尾部射入并在噴管內(nèi)聚焦，噴 管內(nèi)壁面也是激光聚焦鏡面。采用這種設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩方面的問(wèn)題。一是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí) 噴管壁面會(huì)受到高速粒子的沖刷，并且光學(xué)鏡面暴露在高溫高輻射等惡劣環(huán)境，噴管內(nèi)壁 面的光學(xué)性能將逐漸下降。二是激光從噴管尾部射入噴管，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，噴管噴出 氣體與激光相互作用，阻礙激光進(jìn)入噴管。這種設(shè)計(jì)增加了噴管的加工難度，噴管的壽命也 受到很大限制。其三，光學(xué)系統(tǒng)與噴管在結(jié)構(gòu)和功能上分離。激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后穿過(guò)噴管 側(cè)面狹長(zhǎng)的縫隙進(jìn)入噴管。在噴管內(nèi)激光聚焦點(diǎn)附近，激光擊穿工質(zhì)產(chǎn)生高溫等離子體。這 種設(shè)計(jì)使光學(xué)鏡面遠(yuǎn)離噴管內(nèi)的惡劣環(huán)境，而且激光方向可以與噴管軸線方向成不同的角 度，噴管噴出氣體對(duì)激光傳輸沒有影響。連續(xù)激光或脈沖激光都可以為這種推進(jìn)系統(tǒng)提供 能量。但是這種設(shè)計(jì)也存在問(wèn)題。一是噴管開有狹縫，工質(zhì)可能通過(guò)狹縫逸出推進(jìn)系統(tǒng)而 不是沿噴管噴射出去。二是狹縫限制了噴管內(nèi)氣體壓力的升高，限制推力的增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，為航天運(yùn)載器提供一種 激光入射窗口大小不受限制、窗口熱載荷小、噴管性能穩(wěn)定、比沖高、安全可靠的激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)方案為，該激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)包括平面透鏡1、圓錐形拋物面反光鏡 2、凸面反光鏡3、噴管5。激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)外形類似于傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。平面透鏡1 鑲嵌于發(fā)動(dòng)機(jī)頂部，為一圓形透鏡，其中心軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸線重合。圓錐形拋物面反光 鏡2固定安裝于燃燒室中間，位于平面透鏡1之下，圓錐尖部朝上，圓錐形拋物面反光鏡中 心軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸線重合。凸面反光鏡3為環(huán)狀鏡面，鑲嵌于燃燒室壁面內(nèi)，上部位于 圓錐形拋物面反光鏡2下方，下部位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管5之上。平面透鏡1與凸面反光鏡3、以 及位于平面透鏡1與凸面反光鏡3之間的壁面一起構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，燃燒室與噴管5 緊密連接構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的工作腔體。如圖2所示，強(qiáng)激光從發(fā)動(dòng)機(jī)頂部通過(guò)平面透鏡1進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，然后經(jīng)過(guò)錐形拋物 面反光鏡2和凸面反光鏡3的兩次反射聚焦于噴管5的喉部附近。工質(zhì)經(jīng)過(guò)孔4注入發(fā)動(dòng) 機(jī)，工質(zhì)在噴管5喉部附近被激光擊穿形成等離子體。經(jīng)過(guò)激光加熱的工質(zhì)沿噴管噴出產(chǎn) 生反沖力。低溫工質(zhì)可先流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻通道后注入燃燒室，沿途給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及噴 管壁面和平面透鏡等降溫。該發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于燃燒室的尺寸可以根據(jù)需要按比例放大或縮小，平面透鏡 1的大小也可隨之調(diào)整，這樣就降低了對(duì)平面透鏡1材料的耐熱性能的要求。錐形拋物面反 光鏡2的底部位于噴管頂部，可阻擋高溫等離子體回流至燃燒室，對(duì)各個(gè)光學(xué)器件有很好 的保護(hù)作用。激光聚焦點(diǎn)始終在噴管喉部附近，噴管工作穩(wěn)定，不受上游影響。


圖1是本發(fā)明激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)光路示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的半剖面圖，激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)外形類似于傳統(tǒng)的液體火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)，包括燃燒室和噴管。平面透鏡1、凸面反光鏡3是燃燒室壁的一部分，錐形拋物面 反光鏡2被固定在燃燒室內(nèi)。平面透鏡1應(yīng)具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是透射率高、吸熱少、破壞閾 值大；二是能承受較高的燃燒室壓強(qiáng)。錐形拋物面反光鏡2和凸面反光鏡3都具有很高的 反射率。激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)采用液氫或其他分子量小的物質(zhì)。液氫通過(guò)管路系統(tǒng)流經(jīng)燃 燒室和噴管壁夾層，對(duì)平面透鏡1、錐形拋物面反光鏡2和凸面反光鏡3起冷卻作用。液氫 加溫氣化后通過(guò)孔4進(jìn)入噴管喉部激光聚焦區(qū)。在喉部附近，氫氣被激光擊穿形成高溫等 離子體。當(dāng)燃燒室壓強(qiáng)與噴管出口壓強(qiáng)比為5，氫氣滯止溫度達(dá)到4000K以上時(shí)即可獲得 7000m/s的噴氣速度。考慮平均功率為1兆瓦的強(qiáng)激光提供能量。可將激光光斑半徑擴(kuò)展到20cm。平 面透鏡1的半徑為20cm。平面透鏡采用高透過(guò)率，低吸熱率(< 0. )的材料制作，每平 方厘米吸熱率不超過(guò)0. 8瓦，采用普通散熱措施即可為平面透鏡1散熱。錐形拋物面反光 鏡2和凸面反光鏡3采用高反射率材料制作，其表面吸收的激光能量由低溫氫氣帶走。錐 形拋物面反光鏡2的底部半徑為20cm，其作用是環(huán)聚焦激光。凸面反光鏡3改變環(huán)聚焦激 光方向，使其匯聚于一點(diǎn)。通過(guò)恰當(dāng)?shù)墓饴吩O(shè)計(jì)可使光束順利的聚焦但不會(huì)受到鏡面本身
4的遮攔。整個(gè)燃燒室內(nèi)氫氣溫度保持在300K左右，壓強(qiáng)為5個(gè)大氣壓。氫氣在噴管喉部附 近被激光加熱。被加熱的氣體沿噴管迅速噴出從而產(chǎn)生推力。通過(guò)調(diào)節(jié)氫氣流量可以控制 氫氣溫度和出口速度以及推力大小。
權(quán)利要求
1.激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括平面透鏡(1)、圓錐形拋物面反光鏡O)、凸面反光鏡(3)、噴 管(5)，其特征在于平面透鏡(1)鑲嵌于發(fā)動(dòng)機(jī)頂部，其中心軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸線重合， 圓錐形拋物面反光鏡O)固定安裝于燃燒室中間，位于平面透鏡(1)之下，圓錐尖部朝上， 圓錐形拋物面反光鏡中心軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)中心軸線重合，凸面反光鏡(3)鑲嵌于燃燒室壁面 內(nèi)，上部位于圓錐形拋物面反光鏡(2)下方，下部位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管(5)之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于平面透鏡(1)鑲嵌為一圓形 透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于凸面反光鏡(3)為環(huán)狀鏡面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于平面透鏡(1)與凸面反光鏡 (3)、以及位于平面透鏡(1)與凸面反光鏡(3)之間的壁面一起構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于燃燒室與噴管( 緊密連接 構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的工作腔體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。該激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)包括平面透鏡(1)、圓錐形拋物面反光鏡(2)、凸面反光鏡(3)、噴管(5)。激光推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)外形類似于傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。燃燒室的尺寸可以根據(jù)需要按比例放大或縮小，平面透鏡(1)的大小也可隨之調(diào)整，這樣就降低了對(duì)平面透鏡(1)材料的耐熱性能的要求。錐形拋物面反光鏡(2)的底部位于噴管頂部，可阻擋高溫等離子體回流至燃燒室，對(duì)各個(gè)光學(xué)器件有很好的保護(hù)作用。激光聚焦點(diǎn)始終在噴管喉部附近，噴管工作穩(wěn)定，不受上游影響。
文檔編號(hào)F02K9/97GK102062019SQ20101057543
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者何振, 劉澤軍, 吳建軍, 張代賢, 張銳, 晏政 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)