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CN111120146B - 基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置 - Google Patents

基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置 Download PDF

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CN111120146B CN201911257483.2A CN201911257483A CN111120146B CN 111120146 B CN111120146 B CN 111120146B CN 201911257483 A CN201911257483 A CN 201911257483A CN 111120146 B CN111120146 B CN 111120146B
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朱朋
沈瑞琪
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Abstract

本发明属于激光推进领域，具体涉及一种基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置。包括微流体供给系统，微反应混合芯片系统和激光烧蚀系统；微流体供给系统和微反应混合芯片系统通过微管连接，且将推进剂传输至微反应混合芯片系统；微反应混合芯片系统包括两个微流道和混合燃烧室，流体出口端设有喷口，喷口轴线方向为激光脉冲入射方向；激光烧蚀系统和微反应混合芯片系统之间通过光纤连接，烧蚀微反应混合芯片系统中的含能推进剂。本申请的推进装置能实现快速点火，推力可控，流量可控，而且同时可为微小卫星提供具有较高比冲和推冲比。

Description

基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置
技术领域
本发明属于激光推进领域，具体涉及一种基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置。
背景技术
激光推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的新型推进技术。激光推进技术分为反射式和透射式两种。目前研究的重点是透射式激光推进技术，其工质分为固体和液体两种。其中液体具有良好的能量密度，并且可以根据需要调整供给能量。
但是液体工质在激光作用下存在工质飞溅和比冲低的缺点，而GAP（聚叠氮缩水甘油醚）能够克服这方面的问题，提高比冲，并在一定程度上解决了工质飞溅的问题，但是GAP粘度大，不利于微管的输送和流量的精确控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置，其特征在于，包括微流体供给系统，微反应混合芯片系统和激光烧蚀系统；
所述微流体供给系统和微反应混合芯片系统通过微管连接，且将推进剂传输至微反应混合芯片系统；
所述微反应混合芯片系统包括两个微流道和混合燃烧室，流体出口端设有喷口，喷口轴线方向为激光脉冲入射方向；
所述激光烧蚀系统和微反应混合芯片系统之间通过光纤连接，烧蚀微反应混合芯片系统中的含能推进剂。
进一步的，所述微流体供给系统包括氧化剂储液罐，燃料储液罐，氧化剂输送微管，燃料输送微管，氧化剂输送微泵和燃料输送微泵；
所述氧化剂储液罐通过氧化剂输送微管和氧化剂输送微泵，将氧化剂输入一个微流道；所述燃料储液罐通过燃料输送微管和燃料输送微泵将燃料输入另一个微流道。
进一步的，所述氧化剂输送微管和燃料输送微管的直径为50-500um。
进一步的，所述微反应混合芯片系统还包括混合芯片，所述混合芯片与光纤连接一侧为透明结构，所述混合芯片内部设有微通道和混合燃烧室；所述混合芯片另一侧与混合燃烧室同轴心开孔，用于安装喷口。
进一步的，所述微通道为矩形，截面的长为50-500um，宽为50-500um，所述混合燃烧室为圆形，直径为50-1000um。
进一步的，所述喷口的直径为0.5-1mm。
进一步的，所述混合芯片的两个微流道之间的夹角为60-120°。
进一步的，所述混合芯片为上下层结构键合形成；所述混合芯片长40-100mm，宽40-100mm，总体厚度5-20mm。
进一步的，所述激光烧蚀系统包括控制单元，激光器，光纤和光纤连接器；
所述控制单元分别和激光器，氧化剂输送微泵，燃料输送微泵连接；所述激光器通过光纤和光纤连接器连接微反应混合芯片系统。
进一步的，所述激光器采用半导体激光器，波长范围800-1100nm，功率范围0-20W，光纤芯径100-600um。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本申请的激光加载下的含能液体推进系统，能够实现快速点火，点火延迟时间缩短至us级，同时能够加速含能液体的反应速率，加快燃烧速率；
（2）本申请的推进装置基于微流控技术的含能工质输送系统，能够精确控制燃料和氧化剂的供给，实现推进系统的流量可控，同时能够高效利用氧化剂和燃料，避免造成因反应不完全而造成的浪费；
（3）本申请的推进装置不仅能实现快速点火，推力可控，流量可控，而且同时可为微小卫星提供具有较高比冲和推冲比。
附图说明
图1本发明的激光增强推进装置示意图。
图2本发明的混合芯片示意图。
图3本发明的混合芯片液体混合效果示意图。
附图标记说明：
1-氧化剂储液罐，2-燃料储液罐，301-氧化剂输送微管，302-燃料输送微管，401-氧化剂输送微泵，402-燃料输送微泵，5-控制单元，6-激光器，7-光纤，8-光纤连接器，9-混合芯片，10-喷口，11-微流道，12-混合燃烧室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-3所示，本发明实施例提供的一种基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置包括控制单元5、液体供给装置、脉冲烧蚀装置和混合芯片9。所述液体供给装置包括氧化剂储液罐1、燃料储液罐2、氧化剂输送微管301、燃料输送微管302、氧化剂输送微泵401、燃料输送微泵402；所述脉冲烧蚀装置包括激光器6、光纤7、光纤连接器8；所述混合芯片9包含微流道11、混合燃烧室12和喷口10结构。
所述氧化剂输送微泵401通过氧化剂输送微管301分别与氧化剂储液罐1和混合芯片9连接；所述燃料输送微泵402通过燃料输送微管302分别与燃料储液罐2和混合芯片9连接；所述激光器6通过光纤7与混合芯片9连接；所述控制单元5分别与激光器和氧化剂输送微泵和燃料输送微泵相连，控制微泵的工作状态和激光器的输出功率和时间。
基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置具体的工作方式是：
1、准备阶段：通过控制单元5设定液体流速和激光器6输出功率；
2、工作状态：系统准备工作时，控制单元5接收工作指令，激光器6和氧化剂输送微泵401和燃料输送微泵402开始工作，氧化剂输送微泵和燃料输送微泵分别将氧化剂和燃料从氧化剂储液罐1和燃料储液罐2中泵出，并分别通过氧化剂输送微管和燃料输送微管将工质输送至混合芯片9的微流道11中，在微流道11末端接触进而流入混合燃烧室12内，液体工质在混合燃烧室12内混合并发生反应，经激光器6输出的激光通过混合芯片9的透明基底与混合后的液体工质发生作用，加速液体工质的点火，混合后的液体工质燃烧火焰和产物从混合芯片9的喷口10结构喷出，产生推力。
3、非工作状态：激光器6和氧化剂输送微泵401和燃料输送微泵402处于断电状态，整个装置处于不工作状态。

Claims (6)

1.一种基于微流控技术的含能液体激光增强推进装置，其特征在于，包括微流体供给系统，微反应混合芯片系统和激光烧蚀系统；
所述微流体供给系统和微反应混合芯片系统通过微管连接，且将推进剂传输至微反应混合芯片系统；
所述微反应混合芯片系统包括两个微流道（11）和混合燃烧室（12），流体出口端设有喷口（10），喷口轴线方向为激光脉冲入射方向；
所述激光烧蚀系统和微反应混合芯片系统之间通过光纤连接，烧蚀微反应混合芯片系统中的含能推进剂；
所述微流体供给系统包括氧化剂储液罐（1），燃料储液罐（2），氧化剂输送微管（301），燃料输送微管（302），氧化剂输送微泵（401）和燃料输送微泵（402）；
所述氧化剂储液罐（1）通过氧化剂输送微管（301）和氧化剂输送微泵（401），将氧化剂输入一个微流道（11）；所述燃料储液罐（2）通过燃料输送微管（302）和燃料输送微泵（402）将燃料输入另一个微流道（11）；
所述氧化剂输送微管（301）和燃料输送微管（302）的直径为50-500um；
所述微反应混合芯片系统还包括混合芯片（9），所述混合芯片（9）与光纤连接一侧为透明结构，所述混合芯片（9）内部设有微流道（11）和混合燃烧室（12）；所述混合芯片（9）另一侧与混合燃烧室（12）同轴心开孔，用于安装喷口（10）；
所述激光烧蚀系统包括控制单元（5），激光器（6），光纤（7）和光纤连接器（8）；
所述控制单元（5）分别和激光器（6），氧化剂输送微泵（401），燃料输送微泵（402）连接；所述激光器（6）通过光纤（7）和光纤连接器（8）连接微反应混合芯片系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微流道（11）为矩形，截面的长为50-500um，宽为50-500um，所述混合燃烧室为圆形，直径为50-1000um。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷口（10）的直径为0.5-1mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合芯片（9）的两个微流道（11）之间的夹角为60-120°。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合芯片（9）为上下层结构键合形成；所述混合芯片（9）长40-100mm，宽40-100mm，总体厚度5-20mm。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器（6）采用半导体激光器，波长范围800-1100nm，功率范围0-20W，光纤芯径100-600um。
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