多工质型激光等离子体微推进器

1.本发明涉及激光与材料应用领域，具体地说是一种多工质型激光等离子体微推进器。


背景技术：

2.进入21世纪以来，世界航天活动呈现出蓬勃发展的新态势，随着人类探索外太空步伐的加快及商业航天热度的急剧升温，各航天大国对于发展微小卫星、卫星星座等技术愈发重视。但是，由于微小卫星的结构质量和功率负载有限，采用常规的化学推进和电推进方式难以满足其姿轨控制的应用需求。因此，为微小卫星寻找适合的推进装置成为一个亟需解决的技术难题。
3.面对微小卫星对姿轨控制动力方面的迫切需求，激光推进技术应运而生。自激光推进概念诞生以来，激光推进技术从概念到实现，从理论到应用，从模型到产品，不断地经历着一次次新的变革。伴随着激光推进技术的不断发展，激光推进的应用领域也不断扩展：从最初发射入轨的设想，延伸到空间领域的清除碎片，卫星轨道转移、姿态控制，以及近空间的推进任务等等。其中，将激光等离子体微推进作为微小卫星姿轨控制的应用技术，倍受业内人士关注。
4.激光等离子体微推进器具有质量小、体积小、功耗小、结构简单及可靠性高的优点，其实质就是利用聚焦后的激光烧蚀工质表面产生等离子体及微小喷射物产生推力的微推进器。当前激光推进中采用的激光器多为固体激光器、二氧化碳激光器及半导体激光器，但由于前两者的体积和功率较大，一般适合近地轨道的发射应用，因此激光等离子体微推进一般均采用体积、重量和能耗都较小的半导体激光器。激光烧蚀的工质可以是固体、液体及气体，尽管已有研究表明液体和气体工质在激光推进中有一些良好的性能表现，但是这两种工质均需要一定体积的容器进行储存并需要相应的供应设备，这无形中增加了推进器的质量、体积以及结构的复杂性。因此，体积结构简单以及安装方便的固体工质仍是当前激光等离子体微推进器的首选。而固体工质由于分子量、离化阈值以及热导系数等的差异也会表现出不同的比冲及冲量耦合系数，如烧蚀金属工质会产生较大的比冲，而烧蚀高分子聚合物工质会产生很大的冲量耦合系数，而含能型工质材料由于点火模式和烧蚀模式的双重作用，在比冲和冲量耦合系数上都具有良好的表现。因此，如果能够采用多种类型的固体工质作为推进剂，不仅可以满足激光等离子体微推进器的推力、冲量及比冲跨越范围广且可控的应用需求，也可以完成更加复杂情况下的空间任务。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多工质型激光等离子体微推进器，能够根据需要转换设有不同工质的材料固定板与激光器作用，从而可以利用不同工质实现比冲、推力及冲量的调节，满足应用需求。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种多工质型激光等离子体微推进器，包括激光器、激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构，其中激光器高度调节机构设有可升降的支架台，激光器设于所述支架台上且对准所述多工质系统，所述多工质系统包括固定架和设有不同工质的材料固定板，各个材料固定板均设于所述固定架中，且所述固定架通过所述工质转换机构驱动转动。
8.所述激光器高度调节机构包括升降驱动电机、丝杠和滚珠丝杠台，所述丝杠通过升降驱动电机驱动转动，所述滚珠丝杠台内部设有丝母套装于所述丝杠上，所述支架台固定于所述滚珠丝杠台上。
9.所述工质转换机构包括旋转驱动电机、旋转台和传动组件，所述旋转台通过所述旋转驱动电机驱动转动，且所述旋转驱动电机通过所述传动组件传递转矩，所述固定架设于所述旋转台上。
10.所述固定架中部设有中心旋杆，且所述中心旋杆通过所述工质转换机构驱动转动，所述中心旋杆下端套装有工质固定座，所述中心旋杆上端设有架体顶板，各个材料固定板沿着所述中心旋杆圆周方向均布，且材料固定板下端与所述工质固定座连接、上端与所述架体顶板连接。
11.所述材料固定板上的工质为金属、多分子聚合物或含能材料。
12.所述激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构均设于一个安装架体中，所述安装架体包括上盖板和底座，且激光器高度调节机构和多工质系统设于所述上盖板和底座之间，工质转换机构设于所述底座上。
13.所述底座上侧设有旋转电源控制器以及与所述激光器配套的控制电源，所述底座内设有升降电源控制器。
14.所述安装架体一侧设有导向杆，激光器高度调节机构设有可升降的滚珠丝杠台，且所述滚珠丝杠台一端套装于所述导向杆上，所述支架台固定于所述滚珠丝杠台上。
15.本发明的优点与积极效果为：
16.1、本发明利用工质转换机构驱动多工质系统中设有不同工质的材料固定板转换对准激光器发生作用，从而可以利用不同工质实现比冲、推力及冲量的调节，满足应用需求。
17.2、本发明利用激光器高度调节机构调节激光器作用于材料固定板上不同位置的工质，提高了工质利用效率。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图。
19.其中，1-激光器；2-控制电源；3-丝杠；4-滚珠丝杠台；5-升降驱动电机；6-升降电源控制器；7-导向杆；8-支架台；9-螺栓；10-材料固定板；11-固定架；12-工质固定座；13-旋转台；14-旋转驱动电机；15-旋转电源控制器；16-中心旋杆；17-上盖板；18-底座。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步详述。
21.如图1所示，本发明包括激光器1、激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构，其中激光器高度调节机构设有可升降的支架台8，激光器1设于所述支架台8上且对准所
述多工质系统，所述多工质系统包括固定架11和设有不同工质的材料固定板10，且各个材料固定板10均设于所述固定架11中，所述固定架11通过所述工质转换机构驱动转动，以根据需要使不同的材料固定板10对准激光器1并使其上的工质材料与激光发生反应。
22.如图1所示，所述激光器高度调节机构包括升降驱动电机5、丝杠3和滚珠丝杠台4，所述丝杠3通过升降驱动电机5驱动转动，所述滚珠丝杠台4内部设有丝母套装于所述丝杠3上，升降驱动电机5驱动丝杠3转动，进而驱动所述滚珠丝杠台4升降移动，所述支架台8通过螺栓9固定于所述滚珠丝杠台4上。
23.如图1所示，所述工质转换机构包括旋转驱动电机14、旋转台13和传动组件，所述旋转台13通过所述旋转驱动电机14驱动转动，且所述旋转驱动电机14通过所述传动组件传递转矩。本实施例中，所述传动组件可采用齿轮结构，其中主动齿轮通过所述旋转驱动电机14驱动旋转，与所述主动齿轮啮合的从动齿轮与所述旋转台13同轴固连，所述固定架11设于所述旋转台13上。
24.如图1所示，所述固定架11中部设有中心旋杆16，且所述中心旋杆16下端与所述旋转台13固连，所述中心旋杆16下端套装有工质固定座12，所述中心旋杆16上端设有架体顶板，各个材料固定板10沿着所述中心旋杆16圆周方向均布，且材料固定板10下端与所述工质固定座12连接、上端与所述架体顶板连接，所述材料固定板10长度需小于中心旋杆16长度。
25.本实施例中，各个材料固定板10上的工质可为金属(如铝、铜、锌、锡等)、多分子聚合物(如聚甲醛树脂、聚氯乙烯、聚丙烯等)或含能材料(如双基药、聚硝酸乙烯、缩水甘油醚等)，至少包括两类或两类以上的不同材质。
26.如图1所示，所述激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构均设于一个安装架体中，所述安装架体包括上盖板17和底座18，且激光器高度调节机构和多工质系统设于所述上盖板17和底座18之间，工质转换机构设于所述底座18上。
27.如图1所示，所述底座18上设有与所述激光器1配套的控制电源2，本实施例中，所述激光器1为小型半导体激光器，控制电源2为控制器和激光器电源一体化的供电装置，激光器1可通过所述控制电源2控制输出不同功率和形式的激光，所述激光器1和控制电源2形成激光器系统作为本发明的能量源。所述激光器1和控制电源2为市购产品。
28.如图1所示，所述底座18内设有升降电源控制器6用于控制激光器高度调节机构中的升降驱动电机5，以使其控制丝杠3发生正、反方向旋转，进而使滚珠丝杠台4可精确升降调节高度。所述升降电源控制器6为控制器和电源一体化的供电装置，其为市购产品。
29.如图1所示，所述底座18上设有旋转电源控制器15用于控制工质转换机构中的旋转驱动电机14，以使旋转台13的旋转角度精确可控。所述旋转电源控制器15为控制器和电源一体化的供电装置，其为市购产品。
30.如图1所示，所述安装架体一侧设有导向杆7，所述导向杆7上端与所述上盖板17固连，下端与所述底座18固连，所述滚珠丝杠台4一端套装于所述导向杆7上，以实现垂直升降导向。
31.本发明的工作原理为：
32.如图1所示，本发明工作时，所述工质转换机构驱动所述多工质系统转动，以根据实际需要使合适的材料固定板10对准激光器1作用产生理想的比冲或推力效果，而所述激
光器1可通过激光器高度调节机构驱动升降，可作用于相应材料固定板10上不同位置的工质，以提高工质利用效率，激光器1产生的激光与材料固定板10上的工质作用推动整个安装架体移动，从而实现推进器功能。

技术特征：
1.一种多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：包括激光器(1)、激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构，其中激光器高度调节机构设有可升降的支架台(8)，激光器(1)设于所述支架台(8)上且对准所述多工质系统，所述多工质系统包括固定架(11)和设有不同工质的材料固定板(10)，各个材料固定板(10)均设于所述固定架(11)中，且所述固定架(11)通过所述工质转换机构驱动转动。2.根据权利要求1所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述激光器高度调节机构包括升降驱动电机(5)、丝杠(3)和滚珠丝杠台(4)，所述丝杠(3)通过升降驱动电机(5)驱动转动，所述滚珠丝杠台(4)内部设有丝母套装于所述丝杠(3)上，所述支架台(8)固定于所述滚珠丝杠台(4)上。3.根据权利要求1所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述工质转换机构包括旋转驱动电机(14)、旋转台(13)和传动组件，所述旋转台(13)通过所述旋转驱动电机(14)驱动转动，且所述旋转驱动电机(14)通过所述传动组件传递转矩，所述固定架(11)设于所述旋转台(13)上。4.根据权利要求1所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述固定架(11)中部设有中心旋杆(16)，且所述中心旋杆(16)通过所述工质转换机构驱动转动，所述中心旋杆(16)下端套装有工质固定座(12)，所述中心旋杆(16)上端设有架体顶板，各个材料固定板(10)沿着所述中心旋杆(16)圆周方向均布，且材料固定板(10)下端与所述工质固定座(12)连接、上端与所述架体顶板连接。5.根据权利要求1所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述材料固定板(10)上的工质为金属、多分子聚合物或含能材料。6.根据权利要求1所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构均设于一个安装架体中，所述安装架体包括上盖板(17)和底座(18)，且激光器高度调节机构和多工质系统设于所述上盖板(17)和底座(18)之间，工质转换机构设于所述底座(18)上。7.根据权利要求6所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述底座(18)上侧设有旋转电源控制器(15)以及与所述激光器(1)配套的控制电源(2)，所述底座(18)内设有升降电源控制器(6)。8.根据权利要求6所述的多工质型激光等离子体微推进器，其特征在于：所述安装架体一侧设有导向杆(7)，激光器高度调节机构设有可升降的滚珠丝杠台(4)，且所述滚珠丝杠台(4)一端套装于所述导向杆(7)上，所述支架台(8)固定于所述滚珠丝杠台(4)上。

技术总结
本发明涉及激光与材料应用领域，具体地说是一种多工质型激光等离子体微推进器，包括激光器、激光器高度调节机构、多工质系统和工质转换机构，其中激光器高度调节机构设有可升降的支架台，激光器设于所述支架台上且对准所述多工质系统，所述多工质系统包括固定架和设有不同工质的材料固定板，各个材料固定板均设于所述固定架中，所述固定架通过所述工质转换机构驱动转动。本发明能够根据需要转换不同工质的材料固定板与激光器作用，从而可以利用不同工质实现比冲、推力及冲量的调节，满足应用需求。求。求。


技术研发人员：杨亮 李庆伟 石文波 吴克难 赵天亮 周冬建 回晓康 金玉奇
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2023/6/4