无燃料激光发动机 【技术领域】
本发明涉及发动机制造领域，特指一种利用高能量激光束作为推动力的无燃料激光发动机。
背景技术
自1972年，激光器出现后没多久，就有人提出可以用1Gw的激光将1吨重载荷加速到10个重力加速度，并送入卫星轨道的设想，随后，美国、前苏联、日本等国相继开展了激光推进火箭发射方面的相关研究。在1974年，美国在实验室中曾经用几十焦耳的能量3～100μs脉冲的CO2激光聚焦在固体和气体喷嘴上，测到了500～900s的比冲和几十dyn.s/J的能量-动量转换效率。1997年，在美国新墨西哥州沙漠里，一支微型火箭拔地而起，上升到20多米的高度，该火箭模型是形似陀螺，轴对称锥形体。直径约14cm，重量只有50g，而到2002年，该火箭已能升高到70m。2001年，国内中国科学技术大学的学者也用YAG激光器发射了5.8g的铅弹，飞行高度达1.4米。最近，美国科学家在实验室实际演示了利用激光作为动力推进模型飞机飞行的试验。这些研究表明在利用高能激光产生的等离子爆炸冲击波推进火箭发射的基础研究工作方面已经取得了重大进展。
从以上可以看出现在各国科学家都把高能激光产生等离子爆炸冲击推力的研究放在代替火箭发动机的液体燃料推进火箭发射的目标上，而将激光诱发的等离子爆炸冲击波代替传统发动机的燃油或燃气燃烧推动活塞运动地发动机研究方面还是空白。经专利查询，国内外与激光有关的发动机专利申请只有我国专利发明者周新龙申请了一种激光发动机技术专利(专利号为99206057、美国专利号为CN2400591U)。该发明专利的主要原理是利用激光束与发动机气缸中的空气作用使发动机气缸内的空气因激光作用而燃烧掉(对于激光能否使空气燃烧方面的科学研究和依据在国内外还未见相关报道)，使其空间因冷却而形成低气压空间，从而利用活塞外的大气压迫使活塞逆激光束传播方向运动，但该发动机必须使用多个气缸同时工作，才能满足发动机工作运行的最低可行性要求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种利用高能量激光束产生等离子爆炸冲击波为推动力的无燃料激光发动机。随着激光器生产技术的高速发展，利用高能量短脉冲激光器就能产生出很高能量的激光束，功率密度可达109～1021w/cm2以上，它作用在能量转换体(液体或气体)上使其气化爆炸产生的冲击波峰值压力可达几十～几百个GPa。因此，该能量将可给气缸活塞提供足够的运动推动力，使其作来回往复运动。基于上述原理，实施本发明目的的技术方案为：
该装置由安装在无排气和进气孔的发动机缸体7底部外侧的激光器1及其发射的与气缸中心线成0°角的激光束3，并经光路依次连接安置在发动机缸体7底部与气缸中心线成90°角、对激光透明的高强度增压层6及能量转换体8，以及原发动机的活塞9、连杆10、曲轴11组成。
为了更加有效地控制激光器1的开闭，在发动机缸体7上设有接触式开关5。其工作过程为：
1)安装在气缸底部外侧的激光器具有固定的脉冲时间，大约在10-6～10-12s之间，相连两个脉冲时间间隔是由活塞每个运动行程与安装在气缸上的接触式电子开关相互作用来实现自动控制的。激光器发射的激光束与气缸中心线成0角。
2)在气缸上安装的接触式电子按钮开关，第一次启动激光器工作时，由操作者通过外部开关起动。当发动机开始运转后，通过安装在气缸上的接触式电子开关自动开起和关闭激光束。如此循环往复，直致最后关闭激光器。
3)当激光束从激光器发出后，首先通过安置在气缸底部与气缸中心线成90角、对激光透明的高强度增压层。该增压层可以保证能量转换体受辐照爆炸后不产生喷溅，同时还可以有效提高爆炸冲击波的峰值压力。如果不采用对1.06～10.6μm激光透明的高强度增压层，就会大大降低激光能量的转换效率，同时也将使气缸内能量转换体材料因与激光作用而不断损耗。这样，需要不断补充因喷射而损耗的能量转换体材料.
4)当激光束透过对某种波长的激光透明的高强度增压层后与能量转换体作用，使能量转换体气化升华产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量，从而使等离子体爆炸产生高压冲击波，从而推动活塞运动。该能量转换体既可以在激光束能量作用下反复气化电离爆炸产生高达数个GPa的冲击波压力，又可以对活塞产生润滑和保护活塞免受激光直接烧蚀的作用。
5)当活塞发生第一次运动对外做功时，此时电子开关处于闭锁状态，活塞运动不会打开电子开关，当活塞第一次在惯性作用下作返回运动接近止点时，将会第一次撞击接触式开关，此时激光束打开辐照能量转换体，产生第二次推进发动机活塞的冲击波。如此循环往复，维持发动机的正常工作。
本发明具有如下几个方面的优势：
1、将高能量短脉冲激光辐照能量转换体时产生的高压等离子体爆炸冲击波作为发动机的动力源，则无需可燃材料，且用于爆炸产生等离子冲击波的能量转换体的材料可以被反复使用，同时能量转换体材料还可以起到润滑和使活塞免受激光直接烧蚀的作用。
2、发动机气缸机构可以大为简化。
3、可以大幅度提高发动机的运转速率。
4、大型的高功率激光器可以极大地提高发动机的推动力。
5、可以使用于各种复杂的工作环境，尤其适用于无空气的工作环境。
6、由于该发动机无需燃料因而不会产生环境污染。
7、本发明既可以是单缸发动机，也可以是多缸发动机，且可以工作在真空环境中。同时可以视其工作要求，制成较大功率的发动机，或微型发动机，可以广泛应用于国防、航空航天、船舶、汽车等领域。因此该发动机无论从实现的技术可行性，还是从制造和运行的可行性都大大优于现有的发明专利。
【附图说明】
图1为本发明无燃料激光发动机结构示意图
1—激光器，2—启动开关，3—激光束，4—接触式电子开关控制线路，5—接触式电子开关，，6—高强度增压层，7—发动机缸体，8—能量转换体，9—活塞，10—连杆，11—曲轴
【具体实施方式】
如图1所示，激光器1，它能够产生高能量短脉冲的激光束，被安装在特定的机体上，它具有固定的脉冲时间，大约在10-6～10-12s之间，相连两个脉冲时间间隔也是依据活塞每个运动循环时间由接触式电子开关5来控制，目前最先进的激光脉冲可达数百个Hz。当使用者按下启动开关2时，激光器1将立即开始工作，激光束3从激光器1发出后，首先通过安置在发动机缸体7底部与气缸中心线成90°角、对激光透明的高强度增压层6，与装载在活塞9与发动机缸体7底部之间的能量转换体8发生作用，使其气化、电离产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量从而发生等离子体爆炸产生强大的冲击波，推动活塞9，活塞9通过连杆10带动曲轴11运动做功。发动机缸体7上安装有接触式电子开关5，第一次启动激光器1工作时，由操作者通过启动开关2起动。当活塞9发生第一次运动对外做功时，此时电子开关处于闭锁状态，活塞运动不会打开电子开关。当活塞第一次在惯性作用下作返回运动接近止点时，将会在接触式开关开启状态下第一次撞击开关，通过接触式电子开关控制线路4将信号传送给激光器1，此时激光束打开继续辐照能量转换体8，产生第二次推进发动机活塞9运动的冲击波。如此循环往复，维持发动机的正常工作不断发射一个又一个脉冲激光。