(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210964268.1 (22)申请日 2022.08.11 (71)申请人 中国人民解 放军战略支援 部队航天 工程大学 地址 101416 北京市怀柔区八一路1号 (72)发明人 洪延姬　叶继飞　王思博　金星　 邢宝玉　 (74)专利代理 机构 北京众元弘策知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11462 专利代理师 宋磊 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 靶带式脉冲激光微推力器推进性能优化方 法 (57)摘要 本发明在大样 本实验数据基础上， 从三个方 面对靶带式脉冲激光微推力器推进性能进行了 优化设计： 第一， 在给定的体积和重量的约束下， 为给微纳卫星平台提供最持久的姿态和轨道改 变的动能， 需要 提高激光微推力器的总冲。 第二， 在给定能源和质量要求的情况下， 为实现更大的 动能转换， 即将电能转换为动能， 需要优化激光 微推力器的效率。 第三， 为满足微纳卫星应急响 应情况下的应用需求， 激光微推力器需要在给定 功率的约束下， 给卫星平台提供快速的机动变轨 能力。 能够涵盖典型的长寿命、 强机动、 高效能等 卫星平台对激光微推力器能力要求， 方法可操作 性强， 能够直接用于激光微推进性能的设计， 对 于激光微推力器实际应用具有重要的应用价 值。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115358059 A 2022.11.18 CN 115358059 A 1.靶带式脉冲激光微推力器推进性能优化方法， 其特征在于， 针对微纳卫星不同的任 务需求和 不同的应用场景， 激光微推力器需要提供 的推进能力不同， 当给定体积和重量约 束时， 为了给微纳卫星平台提供最持久的姿态和轨道改变的动能， 需要提高激光微推力器 的总冲： 1.1， 拟合得到不同靶带燃料层厚度下比冲极大值与激光脉宽的直线方程 采用正交试验方法， 根据试验数据， 以激光脉冲为横坐标， 比冲为纵坐标， 绘制不同靶 带燃料层厚度下 的激光脉冲宽度和比冲的关系图， 得出在相同激光脉宽下， 靶带燃料层越 薄， 其比冲平均值越大； 在 同一靶带燃料层厚度下， 比冲随激光脉宽的增大存在一个极大 值； 靶带燃料层厚度越大， 比冲极大值越小， 与其相对应的脉宽也越大； 连接不同靶带厚度 下的比冲极值大点， 拟合得到不同靶带燃料层厚度对应的比冲极大值的直线方程(1)以及 不同靶带燃料层厚度下， 比冲极大值与激光脉宽的直线方程： Ispmax＝f(h)                         (1) τ ＝f(h)                            (2) 其中， 比冲最大值 为Ispmax， 激光脉宽为 τ， 靶带燃料层厚度为h； 1.2， 优化比冲和靶带厚度 由1.1可知， 靶带燃料层越薄， 比冲越高， 但是在实际工程应用中， 靶带燃料层需要附着 在特定厚度的靶带基底层薄膜上， 靶带燃料层越薄， 则在一定体积 内有效燃料所占的比例 就越小， 因此优化总冲需要综合优化比冲和靶带厚度： 对于限定体积的激光烧蚀微推力器， 靶带缠绕在一个圆环上， 圆环半径为r， 厚度为D， 靶带缠绕最大外径为2R， 则靶带 所占的总体积为： Vtape＝ π*(R2‑r2)*D                       (3) 假设靶带燃料层厚度为h， 透明基底厚度为H， 靶带燃料层 密度为ρ， 则总冲I 为： I＝Vtape*h/(h+H)*ρ *g*Ispmax                 (4) 将公式(1)代入公式(4)， 可 得到总冲I与靶带燃料层厚度h之间函数关系： I＝Vtape*h/(H+h)*ρ *g*f(h)                 (5) 令d(I)＝0， 求得最佳靶带燃料层厚度hopt， 根据公式(2)推出对应的激光脉宽τopt， 最后 将结果代入公式(5)， 可 得出最优的总冲Iopt。 2.根据权利要求1所述的优化方法， 其特征在于： 当给定能源和质量约束时， 为实现更 大的动能转换， 需要优化激光微推力器的效率， 下面采用比冲和冲量耦合系 数相互耦合设 计的方法实现激光烧蚀效率 最优： 2.1， 烧蚀效率 ηAB、 冲量耦合系数Cm和比冲Isp的关系为 2 ηAB＝CmvE＝CmIspg                    (6) 其中， vE为喷射速度， g为重力加速度； 2.2， 由式(6)可知， 冲量耦合系数和比冲的乘积具有上限， 通过正交试验方法， 绘制靶 带燃料层厚度、 激光脉宽以及冲量耦合系数的关系图， 结合 公式(6)得出烧蚀 效率的最优数 值， 再结合试验数据得到其对应的靶带燃料层厚度和激光脉宽 。 3.根据权利要求1或2所述的优化方法， 其特征在于： 为了满足微纳卫星应急响应情况 下的应用需求， 当激光 微推力器在给定功率时， 需要给卫星平台提供 快速的机动变轨能力： 3.1， 已知功耗限制优化推力权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358059 A 2通过正交试验可得， 在相同靶带燃料层厚度 下激光脉宽越大， 单脉冲冲量越大； 在同一 激光脉宽下， 靶带燃料层厚度越大， 单脉冲冲量越大； 在同一靶带燃料层厚度下， 单脉冲冲 量P与激光脉宽 τ存在线性的函数关系： P＝f( τ )                         (7) 每一个靶带燃料层厚度下， 激光脉宽 τ 需要满足： τ ≥t                            (8) 其中t为能够烧穿某一特定厚度的靶带燃料层的最小激光脉宽； 假设激光微推力器的平均功耗限制为Wmax， 激光脉宽为τ， 单位为 μs， 单脉冲冲量为P， 激 光的功率密度为E， 光斑面积为 Q， 激光器烧蚀频率 为f， 平均功耗 W需要满足以下关系： W＝Q*E*f* τ*10‑6≤Wmax                      (9) 结合公式(7) ‑(9)， 得出限制功耗下的最大平均推力Fmax: Fmax＝Wmax*P/(Q*E* τ*10‑6)                   (10) 以增大机动性能为目标， 由于在同一激光脉宽下， 靶带燃料层厚度越大， 单脉冲冲量P 越大， 由(10)式可知， 此时的最大平均推力 Fmax就越大， 因此在已知功耗限制优化推力时的 步骤为： (1)在靶带染料层设计范围内， 选择最大的靶带染料层厚度h； (2)在激光器的性能范围内减小激光脉宽 τ； (3)根据公式(9)优化烧蚀频率f； 3.2已知推力需求下优化功耗 在达到推力要求的前提下， 需要降低激光 微推力器的功耗 假定靶带层厚度h， 在激光的功率密度为E， 光斑面积为Q约束条件下进行优化， 任务需 求推力为Fneed， 即 f*P＝Fneed                            (11) 结合公式(7)， (9)以及(1 1)可得最小功耗 为： Wmin＝Q*E*Fneed* τ*10‑6/f( τ )                  (12) 其中τ ≥t 即， 靶带层厚度确定时， 满足推力F的条件下， 通过减小激光脉宽 τ， 来降低功耗 W。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358059 A 3