CN108516108B - 一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置及方法，装置包括推进器壳体、工质舱体、辅助气体储罐、微流控组件；其中，辅助气体储罐与工质舱体采用一体化设计，两者之间通过调节阀实现联通；工质舱体与推进器壳体紧固连接，微流控组件贯穿于两者之间；辅助气体储罐与微流控组件联通；工质舱体与微流控组件联通。通过微流控组件实现纳米流体微液滴生成与操控，通过推进器壳体内表面反射镜实现入射激光束聚焦，纳米流体微液滴强化吸收辐照激光并形成剧烈破碎，冲击推进器壳体表面形成反作用推进力。本发明结构一体化和功能化特点显著，推进工质选取独特，使装置具备高比冲、高冲量耦合系数及高能量转换效率的推进效果，同时使推进过程具备可控能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型激光微推进装置及方法，特别是涉及一种利用纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，可作为在轨飞行器机动变轨、空间运输及空间碎片垃圾清运的重要手段。同时，该系统还可在未来深远空无人探测领域发挥重要作用。
背景技术
低成本、高可靠和快速机动一直是航天推进技术的发展方向。激光推进以其能源与工质、能源与飞行器完全分离的两个突出特点，第一次使推进系统同时获得理想推力和较高比冲成为可能。
工质(靶材)的选择一直是激光微推进技术的重要研究内容之一。推进工质一般分为气体工质、液体工质和固体工质。气体工质一般具有较高的推进比冲，但冲量耦合系数较小，同时不适合太空环境，不能作为合适工质；固体工质和液体工质由于物性多样性，对推进性能参数的调节范围较宽，可以获得较大范围内的比冲和冲量耦合系数。但相对于固体工质，液体工质能够产生更大冲量耦合系数，且便于存储和供给，是一种较为理想激光微推进工质。但液体工质由于溅射等因素影响，导致其比冲较小。提高比冲的有效方法是减少溅射并降低溅射影响。目前减少溅射的途径主要包括改变工质结构形态和增大工质粘度两种。
纳米流体微液滴也称胶体微液滴，是在传统微液滴内部弥散纳米颗粒。激光辐照会在纳米颗粒表面形成局域等离激元共振现象，这种等离子体激元集体振荡行为会极大强化激光能量的吸收效果，会在纳米颗粒周围形成局域瞬时高温真空环境，导致气泡形成。纳米颗粒的局域表面等离激元振荡和气泡空化会造成纳米流体微液滴破碎强烈且彻底，破碎微液滴会在极短时间内对推进器壳体产生极强反作用力。纳米颗粒微液滴在激光辐照作用下的上述特征将使该激光微推进装置的冲量耦合系数、比冲和能量转换效率得到综合提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置及方法，利用激光与纳米流体微液滴的局域表面等离子体激元效应和气泡空化效应，提高激光能量转化沉积效率和工质利用效率，实现激光微推进装置的大冲量耦合系数、高比冲和能量转换效率。
本发明包括如下技术方案：一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，包括推进器壳体、工质舱体、辅助气体储罐、微流控组件；其中，辅助气体储罐与工质舱体采用一体化设计，两者之间通过调节阀实现联通；工质舱体与推进器壳体紧固连接，微流控组件贯穿于两者之间；辅助气体储罐与微流控组件联通；工质舱体与微流控组件联通。
所述推进器壳体采用抛物线低阻外形，在推进器壳体内表面间隔布置用于汇聚入射激光光斑至抛物线焦点处的反射镜；反射镜表面喷涂超疏水涂层。
所述工质舱体与推进器壳体通过螺纹套筒实现紧固连接，工质舱体与辅助气体储罐实现一体化设计与组装，底部充填纳米流体工质，顶部充填辅助气体。
所述微流控组件包括气体管路、微通道及调节阀，气体管路与微通道交叉位置形成连接通孔，调节阀控制气体管路内部气体压强，实现纳米流体微通道内部可控流动与纳米流体微液滴可控生成。
所述工质舱体与推进器壳体紧固连接，微流控组件的微通道贯穿于两者之间；辅助气体储罐与微流控组件的气体管路通过调节阀实现联通；工质舱体与微流控组件之间通过气体通道实现辅助气体联通，并通过微通道实现与纳米流体工质的联通。
一种利用上述装置进行基于纳米流体微液滴工质的激光微推进的方法，步骤如下：
1)微流控组件产生微液滴并输运至推进器壳体入射光线焦点位置；
2)入射脉冲激光辐照推进器壳体，在焦点位置照射微液滴；
3)微液滴吸收激光能量，达到微液滴破碎阈值时，微液滴剧烈破碎并冲击推进器壳体，形成向前推力；
4)在入射激光脉冲周期内，新的微液滴产生，新的脉冲激光光束入射，形成新的推力。
所述微流控组件产生微液滴的过程为：微流控组件利用气体管路内辅助气体对微通道内纳米流体产生的剪切力和驱动力产生微液滴。
所述纳米流体工质选用金纳米流体或银纳米流体。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明采用纳米流体微液滴工质、微流控组件以及推进器壳体内部反射面设计，极大强化了激光汇聚、激光能量沉积效果和能量转换效率，实现了推进工质微液滴的连续生成和可控输出，激光与工质产生的局域表面等离子激元效应和气泡空化效应能综合提高装置冲量耦合系数、比冲以及能量转换效率；破碎水滴与推进壳体内部反射镜面产生的发作用力效果，也对推进性能综合提高起到促进作用。
附图说明
图1为本发明的激光微推进装置示意图；其中1--推进器壳体、2--工质舱体、3--辅助气体储罐、4--气体管路、5--微通道、6--微液滴，7--反射镜；
图2为本发明的激光微推进装置微流控组件示意图。
具体实施方式
为了能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认识与了解，下文将结合具体实施方案，对本发明的设计思想进行说明，以便了解本发明的特点，详细说明陈述如下：
基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置主要包括推进器壳体、工质舱体、辅助气体储罐、微流控组件及纳米流体工质。
推进器壳体采用旋转抛物面低气动阻力外形设计方案，壳体内表面间隔布置高反射率镜面，镜面表面涂敷超疏水涂层，避免喷射流体在镜面粘附造成镜面反射率降低。喷射微液滴与反射镜面突起反作用力产生微推力。工质舱体内部充填纳米流体推进工质和辅助气体(如氮气)，舱体与推进器壳体有效连接和内部联通，保证纳米流体微液滴输运通道畅通。辅助气体储罐与工质舱体一体化设计，之间连接调节阀1，控制工质舱体内部辅助气体压强。微流控组件主要作用是输运纳米流体并产生微液滴。微流控组件主要包括微通道、气体管道以及调节阀2。微通道主要是在辅助气体压力作用下输运纳米流体工质，尺度在微米量级；气体管道是将工质舱体内辅助气体输运至流通管道，通过辅助气体的气体压力和剪切力来生成微液滴。气体管路与微通道交叉位置形成连接通孔，提供剪切力；调节阀2作用是调节气体管路内部气体压强，通过与调节阀1协调控制，使其与纳米流体流动动力产生一定压力差，确保在微通道连接通孔处产生可控微液滴。辅助气体储罐通过调节阀2与微流控组件的气体管路相连通，调节控制气体管路内部辅助气体压强。纳米流体工质主要作为推进工质靶材，提供烧蚀破碎反推力，纳米流体工质可采用水溶剂内部混合纳米颗粒(如金纳米颗粒、银纳米颗粒以及非金属纳米颗粒等)，纳米流体浓度和纳米颗粒类型、粒径等参数选择可基于入射激光波长和辐照激光功率密度选取。当入射激光照射纳米流体微液滴时，激光波长与纳米颗粒吸收峰相互匹配时，纳米颗粒表面形成局域表面等离激元共振，此时达到最佳匹配效果。
基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置基本工作流程为：首先微流控组件将微液滴输运至推进器壳体入射光线焦点位置，入射脉冲激光辐照推进器壳体，在焦点位置照射微液滴，微液滴吸收激光能量，达到微液滴破碎阈值时，微液滴剧烈破碎并冲击推进器壳体，形成向前推力；在入射激光脉冲周期内，新的微液滴产生，新的脉冲激光光束入射，形成新的推力。
基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置微液滴产生原理为：微流控组件利用气体管路内辅助气体对微通道内纳米流体产生的剪切力和驱动力产生微液滴；其中，剪切力和驱动力的大小通过调节阀1和调节阀2之间的压差控制实现，纳米流体的流动速度通过调节阀1控制辅助气体压力以达到控制连续流体流动速度的目的。
综上所述，本发明提供基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，利用脉冲激光照射到纳米流体微液滴产生的局域等离激元共振现象和气泡空化现象，极大提高被辐照工质的激光吸收效率和破碎冲击载荷，综合提高冲量耦合系数、比冲及能量转换效率；同时，巧妙地微流控设计思路能够极大避免工质浪费，提高工质利用效率。因此，装置具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用性要求。
Claims (6)
1.一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，其特征在于：包括推进器壳体、工质舱体、辅助气体储罐、微流控组件；其中，辅助气体储罐与工质舱体采用一体化设计，两者之间通过调节阀实现联通；工质舱体与推进器壳体紧固连接，微流控组件贯穿于两者之间；辅助气体储罐与微流控组件联通；工质舱体与微流控组件联通；所述微流控组件包括气体管路、微通道及调节阀，气体管路与微通道交叉位置形成连接通孔，调节阀控制气体管路内部气体压强，实现纳米流体微通道内部可控流动与纳米流体微液滴可控生成；所述工质舱体与推进器壳体紧固连接，微流控组件的微通道贯穿于两者之间；辅助气体储罐与微流控组件的气体管路通过调节阀实现联通；工质舱体与微流控组件之间通过气体管路实现辅助气体联通，并通过微通道实现与纳米流体工质的联通。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，其特征在于：所述推进器壳体采用抛物线外形，在推进器壳体内表面间隔布置用于汇聚入射激光光斑至抛物线焦点处的反射镜；反射镜表面喷涂超疏水涂层。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，其特征在于：所述工质舱体与推进器壳体通过螺纹套筒实现紧固连接，工质舱体与辅助气体储罐实现一体化设计与组装，底部充填纳米流体工质，顶部充填辅助气体。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进装置，其特征在于：所述纳米流体工质选用金纳米流体或银纳米流体。
5.一种利用权利要求1-4中任一所述激光微推进装置进行基于纳米流体微液滴工质的激光微推进的方法，其特征在于步骤如下：
1)微流控组件产生微液滴并输运至推进器壳体入射光线焦点位置；
2)入射脉冲激光辐照推进器壳体，在焦点位置照射微液滴；
3)微液滴吸收激光能量，达到微液滴破碎阈值时，微液滴剧烈破碎并冲击推进器壳体，形成向前推力；
4)在入射激光脉冲周期内，新的微液滴产生，新的脉冲激光光束入射，形成新的推力。
6.根据权利要求5所述的一种基于纳米流体微液滴工质的激光微推进的方法，其特征在于：所述微流控组件产生微液滴的过程为：微流控组件利用气体管路内辅助气体对微通道内纳米流体产生的剪切力和驱动力产生微液滴。
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