雷射等離子體微推進技術研究進展

2020-11-26 OFweek維科網

　　引言

　　隨著機械微電子技術的發展， 近年來衛星微小型化成為當代衛星發展的趨勢， 微衛星( 質量>10 kg) 、納衛星( 質量介於1～10 kg) 和皮衛星( 質量<1 kg) 得到了迅猛發展。許多商業、科學團體現在都轉向了微衛星和納衛星星座概念的研究——使用先進技術把大量小衛星聯網來代替昂貴、龐大的衛星， 如圖1 所示。許多實例證明， 由於其分布特性， 這些星座能夠完成單個大型太空飛行器所不能完成的任務。

　　為了構建微衛星星座， 需要對微小衛星進行精確的變軌和調姿控制， 這就對推進器提出了比較高的要求。

　　1) 推進器本身重量要比較小。對於一個重10 kg，高10～20 cm 的微衛星， 要求其推力系統只能有0.5～1kg 重， 大小為5～10 cm， 只有這樣， 推進器在衛星上才不會佔太大的比重。

　　2) 推進器提供的力的範圍應儘可能大， 要求既能產生&mu;N 量級的微小推力， 又能產生mN 量級的較大推力。這是因為微衛星星座在運行期間， 既需要&mu;N 量級的微推力來調整飛行姿態， 又需要較大的推力對星座內的衛星位置進行重排。

圖1 微衛星星座示意圖

　　然而， 傳統的化學燃料推進技術不能同時滿足這兩個要求， 所以不得不尋求其他方式來產生微推力。根據工作原理， 微推進器可以分為等離子推進器、冷氣推進器、太陽能推進器、磁力推進器、電力推進器、化學反應堆推進器、雷射推進器等。雷射等離子體微推進器由於其質量小、比衝高、力學範圍大等優點，成為眾多推進器中的焦點。

　　1 工作原理

　　雷射等離子體推進器(Micro Laser Propulsion Thruster，&mu;LPT) 是一種應用於微衛星的質量小、效率高、壽命長的微推力器。這種微推力器工作原理與普通的雷射推進原理一樣， 都是以雷射器作為能源。從雷射器中發出來的光， 經光學元件聚焦後， 照射到推進劑表面， 發生燒蝕， 噴出高溫高壓的氣體或固體顆粒，這種氣體或固體顆粒的反衝使飛行器獲得衝力。與大功率雷射推進器不同的是雷射等離子體微推力器多以小型的半導體雷射器為能源， 這種新型的半導體雷射器體積小、重量輕、功率大。其工作示意圖如圖2 所示，圖中的亮點是雷射照射在推進劑表面發出的光。從圖中可以明顯看到燒蝕物質的噴射， 亮點周圍的亮線便是噴射物質的運動軌跡。

圖2 雷射等離子體微推進工作圖

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