本發(fā)明屬于空間推進技術(shù)領(lǐng)域，涉及空間平臺動力系統(tǒng)微推力器技術(shù)，特別涉及一種基于碟片狀工質(zhì)盤、激光透射式與工質(zhì)作用的激光燒蝕微推力器。

背景技術(shù)：

激光燒蝕微推力器作為一種微推進領(lǐng)域可選推力器技術(shù)，經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)在眾多微小推進技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)了一席之地。激光燒蝕微推力器沖量元小、比沖高、推力小、工作范圍寬、功耗低、簡單可靠，能夠很好的適應(yīng)微小衛(wèi)星平臺推進系統(tǒng)的微推力器需求。

美國、德國、日本和中國等國家先后開展了激光燒蝕微推力器的研制。美國Phipps小組研制了一款固體撓性工質(zhì)帶的激光等離子體微推力器，采用6只二極管激光器作為能量源，實現(xiàn)工質(zhì)帶上工質(zhì)燒蝕位置的全覆蓋；德國宇航中心研制了一種納秒脈寬激光燒蝕固體材料的激光燒蝕微推力器，工質(zhì)理論上可使用任何固體材料，包括金屬作為靶材，激光以45度角度傾斜入射燒蝕工質(zhì)材料；日本提出了一種預(yù)置燒蝕坑，將被燒蝕工質(zhì)填入預(yù)置燒蝕坑中，進行約束燒蝕的激光燒蝕微推力器；中國的激光燒蝕推力器研制工作起步較晚，借鑒美國Phipps小組的研究經(jīng)驗，研制了一種新型的工質(zhì)帶式的激光燒蝕微推力器，最近提出了一種液態(tài)工質(zhì)的激光燒蝕推力器工作模式。

綜合國內(nèi)外研究情況來看，所研制的激光燒蝕微推力器主要存在以下兩個方面的問題：工質(zhì)供給方式和激光燒蝕模式。工質(zhì)供給通常采用撓性工質(zhì)帶，這樣的撓性結(jié)構(gòu)制作困難，不易于加工，性能不穩(wěn)定，容易分層脫離，特別是在帶子首尾接頭處目前沒有很好的接頭處理方法，并且在沖擊力加載時，透明層容易被燒蝕，另外自身形變會耗散點部分能量；激光燒蝕模式通常采用45度角斜入射燒蝕工質(zhì)的方式，這樣的方式容易造成噴射產(chǎn)物對光學(xué)系統(tǒng)的污染，并且激光聚焦光學(xué)鏡面到達焦點的工作距會受到躲避污染的原因影響，而無法設(shè)計小，這樣會使設(shè)計的聚焦光斑尺寸和衍射極限變大，進而導(dǎo)致整個光學(xué)部件體積和重量過大。另外，如液體工質(zhì)供給量控制困難，撓性工質(zhì)供給的輸出扭矩，以及反射式激光與工質(zhì)燒蝕能量耦合效率較低等問題都沒有得到很好的解決。

本發(fā)明重點針對以上以往設(shè)計中存在的問題，研制了一種碟片工質(zhì)盤的工質(zhì)供給方式和激光透射式燒蝕工作模式。其特點在于工質(zhì)基底為強度大的石英材料，無撓性部分，避免了推力耦合不確定性，電機控制時，可成對使用，避免了外力和扭矩輸出，工質(zhì)供給量可實現(xiàn)高精度的精確控制；透射式激光燒蝕模式能夠有效避免光學(xué)系統(tǒng)的污染，使工作距的設(shè)計不受限制，能夠提高能量耦合效率，沖量耦合系數(shù)獲得較大提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上研制出一種能夠解決部分以外設(shè)計問題的基于碟片狀工質(zhì)盤、激光透射式與工質(zhì)作用的激光燒蝕微推力器，填補國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白。

實現(xiàn)本發(fā)明的碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器包括三部分：碟片工質(zhì)供給模塊、激光透射燒蝕模塊和信號處理模塊。

推力器集成了碟片工質(zhì)盤、轉(zhuǎn)動電機、電機支架、滑塊、絲杠、平動框、平動電機、光纖耦合半導(dǎo)體激光器、準直鏡組、反射器、聚焦鏡組、激光焦點、工作距調(diào)節(jié)臺、控制主板板卡、激光器驅(qū)動板卡、電機驅(qū)動板卡，以及供電與信號接口等。由轉(zhuǎn)動電機和平動電機分別驅(qū)動碟片工質(zhì)盤提供周向和徑向工質(zhì)燒蝕位置選擇，持續(xù)不斷提供新的燒蝕位置到激光焦點，同時光纖耦合半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)由準直鏡組準直，反射器改變傳播方向，聚焦鏡組聚焦到激光焦點位置，與碟片工質(zhì)盤選擇好的燒蝕位置的工質(zhì)相互作用，以脈沖的方式形成設(shè)定頻率的連續(xù)燒蝕噴射產(chǎn)生推力。

附圖說明

圖1本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖2本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器結(jié)構(gòu)示意圖(主視圖和右視圖)；

圖3本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的工作原理框圖；

圖4本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的工質(zhì)盤結(jié)構(gòu)與激光燒蝕示意圖；

圖5本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的激光光路原理圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器做進一步詳細描述。圖1本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)，圖2本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器結(jié)構(gòu)示意圖(主視圖和右視圖)。

如圖1和圖2所示，一種碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器包括三部分：碟片工質(zhì)供給模塊、激光透射燒蝕模塊和信號處理模塊；碟片工質(zhì)供給模塊集成了碟片工質(zhì)盤(1)、轉(zhuǎn)動電機(2)、電機支架(3)、滑塊(4)、絲杠(5)、平動框(6)、平動電機(7)；碟片工質(zhì)盤(1)中心有安裝孔，安裝在轉(zhuǎn)動電機(2)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動電機(2)轉(zhuǎn)動可帶動碟片工質(zhì)盤(1)繞中心轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動電機(2)頂部與電機支架(3)頂端連接，電機支架(3)呈45度角傾斜支撐轉(zhuǎn)動電機(2)，電機支架(3)底端連接滑塊(4)，滑塊(4)穿在絲杠(5)上，并能夠在絲杠(5)上滑動，絲杠(5)安裝在平動框(6)上，平動框(6)安裝在底板與結(jié)構(gòu)框架(8)上，絲杠(5)一端連接平動電機(7)，平動電機(7)轉(zhuǎn)動可驅(qū)動絲杠(5)轉(zhuǎn)動，絲杠(5)轉(zhuǎn)動能夠使滑塊(4)沿著絲杠(5)平動；激光透射燒蝕模塊集成了光纖耦合半導(dǎo)體激光器(9)、準直鏡組(10)、反射器(11)、聚焦鏡組(12)、激光焦點(13)、反射器轉(zhuǎn)接件(14)、工作距調(diào)節(jié)臺(15)、調(diào)節(jié)臺支架(16)；光纖耦合半導(dǎo)體激光器(9)安裝在底板與結(jié)構(gòu)框架(8)上，輸出光纖連接準直鏡組(10)，準直鏡組(10)連接在反射器(11)的輸入端，反射器(11)的輸出端連接聚焦鏡組(12)，聚焦鏡組(12)將經(jīng)過準直和反射的激光聚焦到激光焦點(13)處，在激光焦點(13)處激光與燒蝕層工質(zhì)相互作用，反射器(11)安裝在反射器轉(zhuǎn)接件(14)上，反射器轉(zhuǎn)接件(14)安裝工作距調(diào)節(jié)臺(15)的移動臺面上，工作距調(diào)節(jié)臺(15)的固定底面安裝在調(diào)節(jié)臺支架(16)上，調(diào)節(jié)臺支架(16)安裝在底板與結(jié)構(gòu)框架(8)上；信號處理模塊包括了控制主板板卡(17)、主板板卡支柱(18)、激光器驅(qū)動板卡(19)、電機驅(qū)動板卡(20)、電機驅(qū)動板卡支柱(21)；控制主板板卡(17)由主板板卡支柱(18)安裝在激光器驅(qū)動板卡(19)上方，激光器驅(qū)動板卡(19)安裝在底板與結(jié)構(gòu)框架(8)上，激光器驅(qū)動板卡(19)輸入信號線連接控制主板板卡(17)，輸出信號線連接光纖耦合半導(dǎo)體激光器(9)，電機驅(qū)動板卡(20)由電機驅(qū)動板卡支柱(21)安裝在底板與結(jié)構(gòu)框架(8)上，電機驅(qū)動板卡(20)輸入信號線連接控制主板板卡(17)，輸出信號線連接轉(zhuǎn)動電機(2)和平動電機(7)。

如圖3本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的工作原理框圖所示，推力器接收到工作指令后，由控制主板板卡(17)同時發(fā)送轉(zhuǎn)動電機(2)和平動電機(7)，以及光纖耦合半導(dǎo)體激光器(9)工作指令，由平動電機(7)驅(qū)動碟片工質(zhì)盤(1)提供徑向工質(zhì)燒蝕位置選擇，持續(xù)不斷提供新的燒蝕位置到激光焦點(13)，待碟片工質(zhì)盤(1)燒蝕位置確定完之后，按設(shè)定工作頻率和脈寬，光纖耦合半導(dǎo)體激光器(9)發(fā)出的激光，經(jīng)由準直鏡組(10)準直，反射器(11)改變傳播方向，聚焦鏡組(12)聚焦到激光焦點(13)位置，與碟片工質(zhì)盤(1)選擇好的燒蝕位置的工質(zhì)相互作用，以脈沖的方式形成設(shè)定頻率的連續(xù)燒蝕噴射產(chǎn)生推力。

實現(xiàn)本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的關(guān)鍵步驟有兩個：

步驟一、碟片工質(zhì)盤的設(shè)計與制作

如圖4本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的工質(zhì)盤結(jié)構(gòu)與激光燒蝕示意圖所示，碟片工質(zhì)盤為圓形碟片狀，由透明層和燒蝕層兩層材料組成，透明層材料為JGS2型石英，激光入射面鍍紅外增透膜，工質(zhì)涂布面涂布100μm厚工質(zhì)燒蝕層，材料為含能聚合物聚疊氮縮水甘油醚(GAP)，燒蝕層摻雜質(zhì)量分數(shù)為1％的紅外吸收染料，透明層厚1mm，直徑100mm，中心打孔6mm，用于與電機轉(zhuǎn)軸進行配合。

燒蝕層工質(zhì)的涂布制作需要由乙酸乙酯稀釋GAP后進行摻雜，摻雜均勻后采用涂布機構(gòu)，將工質(zhì)安裝設(shè)計厚度均勻涂布到透明層的工質(zhì)涂布面一側(cè)，隨后將碟片工質(zhì)盤置入45攝氏度1000Pa以下真空環(huán)境30分鐘以上，將乙酸乙酯充分析出后成型。

步驟二、激光燒蝕參數(shù)的設(shè)計

如圖5本發(fā)明碟片工質(zhì)盤透射式激光燒蝕微推力器的激光光路原理圖所示，光路設(shè)計中采用準直、反射、聚焦的思路，反射只改變光路的傳播方向，并不影響光路的準直與聚焦特性，為使激光經(jīng)過聚焦后能夠形成較高的功率密度，達到最優(yōu)的沖量耦合性能，需要使聚焦光斑尺寸盡可能小，設(shè)計過程中需要考慮如下兩個因素：通光孔徑的設(shè)計和焦距的選取。

可選用的商用光纖耦合半導(dǎo)體激光器參數(shù)是確定的，光纖芯徑105μm，數(shù)值孔徑0.15，最高出光功率10W、波長940nm，以脈沖方式工作，脈寬2ms，頻率最高設(shè)定為100Hz。

對于準直透鏡組而言，透鏡組焦距f₁與通光孔徑D的關(guān)系可以用數(shù)值孔徑參數(shù)來建立聯(lián)系，數(shù)值孔徑NA為

NA＝n sinθ＝0.15

其中，n為JGS石英折射率，取1.5，θ為光纖對通光孔徑為D的張角的一半。因此

也即f₁＝5D

由此可知，準直透鏡組焦距為通光孔徑的5倍。為了限定光學(xué)系統(tǒng)空間尺寸的大小，通光孔徑選擇受限于可用的商用光學(xué)器件，選定的通光孔徑不大于1/2英寸，即D小于12.7mm。考慮透鏡邊緣的光學(xué)像差的影響，選取通光孔徑為8mm，確定的準直透鏡組的焦距為40mm。

對于聚焦透鏡組而言，需要考慮的設(shè)計參數(shù)是焦距，與之相關(guān)的主要是聚焦后的光斑尺寸的大小。由透鏡成像原理可知

其中，F(xiàn)為所有透鏡組等效焦距。令放大倍數(shù)為M，即

較為合適的聚焦后激光的功率密度需要在10⁵W/cm²以上，根據(jù)選定的激光器性能可知，聚焦后光斑的直徑應(yīng)該不大于100μm，這是聚焦光斑尺寸的上限。因此，需要成縮小的實像，也即f₂應(yīng)該比f₁小。另一方面，受到衍射極限的限制，聚焦后光斑最小不能小于艾里斑的半徑r，即

其中，λ為激光波長。可得

r＝1.4335×10^-4f₂

可見聚焦透鏡組焦距越小，能夠獲得的最小光斑直徑越小，聚焦后功率密度越大。由于光學(xué)透鏡球差等光學(xué)像差影響，對于8mm通光孔徑的透鏡而言，其焦距不宜過小，選擇10mm比較合適，此時對應(yīng)衍射極限最小光斑直徑為2.8μm，成像得到的聚焦光斑為26μm，實際獲得激光聚焦后功率密度為1.88×10⁶W/cm²。

信號處理采用主板控制主控，激光器和電機分別控制的方式。激光器驅(qū)動板卡為PLD-10KCH型半導(dǎo)體激光器驅(qū)動器，電機驅(qū)動板卡采用CVD205型電機驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動電機和平動電機均為2相步進電機，型號為PKP213D05，激光器控制過程主要是為激光器提供打開關(guān)閉、工作頻率、脈寬、出光功率指令，電機控制過程主要是提供電機打開關(guān)閉、步進角度、轉(zhuǎn)動方向、步進數(shù)設(shè)置指令，通信接口為雙向RS232串口通信接口接收推力器外部指令，并提供狀態(tài)反饋，供電由推力器外部供電，接口為5V和24V兩組供電。