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激光等离子体微推进技术研究进展

导读: 随着机械微电子技术的发展, 近年来卫星微小型化成为当代卫星发展的趋势, 微卫星( 质量>10 kg) 、纳卫星( 质量介于1~10 kg) 和皮卫星( 质量<1 kg) 得到了迅猛发展。

  引言

  随着机械微电子技术的发展, 近年来卫星微小型化成为当代卫星发展的趋势, 微卫星( 质量>10 kg) 、纳卫星( 质量介于1~10 kg) 和皮卫星( 质量<1 kg) 得到了迅猛发展。许多商业、科学团体现在都转向了微卫星和纳卫星星座概念的研究——使用先进技术把大量小卫星联网来代替昂贵、庞大的卫星, 如图1 所示。许多实例证明, 由于其分布特性, 这些星座能够完成单个大型航天器所不能完成的任务。

  为了构建微卫星星座, 需要对微小卫星进行精确的变轨和调姿控制, 这就对推进器提出了比较高的要求。

  1) 推进器本身重量要比较小。对于一个重10 kg,高10~20 cm 的微卫星, 要求其推力系统只能有0.5~1kg 重, 大小为5~10 cm, 只有这样, 推进器在卫星上才不会占太大的比重。

  2) 推进器提供的力的范围应尽可能大, 要求既能产生μN 量级的微小推力, 又能产生mN 量级的较大推力。这是因为微卫星星座在运行期间, 既需要μN 量级的微推力来调整飞行姿态, 又需要较大的推力对星座内的卫星位置进行重排。

微卫星星座示意图

图1 微卫星星座示意图

  然而, 传统的化学燃料推进技术不能同时满足这两个要求, 所以不得不寻求其他方式来产生微推力。根据工作原理, 微推进器可以分为等离子推进器、冷气推进器、太阳能推进器、磁力推进器、电力推进器、化学反应堆推进器、激光推进器等。激光等离子体微推进器由于其质量小、比冲高、力学范围大等优点,成为众多推进器中的焦点。

  1 工作原理

  激光等离子体推进器(Micro Laser Propulsion Thruster,μLPT) 是一种应用于微卫星的质量小、效率高、寿命长的微推力器。这种微推力器工作原理与普通的激光推进原理一样, 都是以激光器作为能源。从激光器中发出来的光, 经光学元件聚焦后, 照射到推进剂表面, 发生烧蚀, 喷出高温高压的气体或固体颗粒,这种气体或固体颗粒的反冲使飞行器获得冲力。与大功率激光推进器不同的是激光等离子体微推力器多以小型的半导体激光器为能源, 这种新型的半导体激光器体积小、重量轻、功率大。其工作示意图如图2 所示,图中的亮点是激光照射在推进剂表面发出的光。从图中可以明显看到烧蚀物质的喷射, 亮点周围的亮线便是喷射物质的运动轨迹。

激光等离子体微推进工作图

图2 激光等离子体微推进工作图

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