一种基于卡文迪什扭秤的激光帆姿态测量装置

技术领域

本发明属于激光帆技术领域，具体涉及激光帆姿态测量装置。

背景技术

19世纪中叶，麦克斯韦从理论上预测了光压的存在。20世纪初，列别捷夫首次实验测量了光压数值，由此引发了光压驱动太空航行的科学构想。2010年，日本航天局JAXA成功将IKAROS号激光帆发射到太空并成功完成各项实验，进一步激发了人们对激光帆航天器的研究热情。2016年，霍金提出“突破摄星”(Breakthrough Starshot)计划，旨在利用地面的激光阵列产生的巨大光压将激光帆加速到光速的20%来实现星际航行，目标星辰大海，以探索地外文明、搜寻适宜人类居住的星球、以及寻找地球稀缺的金属资源等。2019年，美国伦斯勒理工的研究团队已设计出这种激光帆的原型样机。相比之下，我国在以深空探测为使命的激光帆等薄膜结构航天器的总体设计上尚处于起步阶段。对尚在论证阶段的设计方案而言，其关键技术还需要充分的理论分析、数值计算、物理或半物理仿真实验的指导和支撑。激光帆的运动姿态精确测量是一项挑战，直接影响其航行稳定性等性能的预测与调控。卡文迪什扭秤可应用于各种微小物理量的精确实验测量，如万有引力常数

发明内容

本发明的目的在于设计一种稳定性和可重复性好的基于卡文迪什扭秤的激光帆运动姿态测量装置。

本发明设计的基于卡文迪什扭秤的激光帆运动姿态测量装置，如图1所示，其原理为：激光照射到激光帆一侧后，光压会产生一个微小的扭矩，使扭秤系统发生偏转；定位激光照射在激光帆上并被其反射后，可将微小偏转放大成可观测的光斑位移，通过测量光斑位移，即可反算出扭秤的偏转角度和位移。

本发明设计的基于卡文迪什扭秤的激光帆运动姿态测量装置，如图1所示，包括：真空箱、激光帆、钨丝、磁铁片、铝块、定位激光源、驱动激光源、风扇、铝架、刻度尺；其中：

所述激光帆通过夹具与钨丝的一端相连接，并挂在真空箱内部；所述磁铁片粘贴在激光帆下端，所述铝块为两个，垂直设置于激光帆近距离两侧，磁铁片和两个铝块形成电磁阻尼；所述定位激光及驱动激光设置于真空箱外部；

所述驱动激光源用于向激光帆发射驱动激光，使激光帆发生偏转。通过调整驱动激光源的焦距来调节照射在激光帆上的光斑的面积，避免照射面积过小导致能量集中烧毁激光帆；

所述定位激光源用于向激光帆发射定位激光，经反射后可放大激光帆的偏转；

所述真空箱内部设计有一个卡槽，所述铝架通过卡槽能够稳定地卡在真空箱内部。

所述钨丝的一端与激光帆连接，另一端通过螺丝螺母固定在所述铝架上，这种固定方法效率较高，容错率也较高。使用钨丝的原因在于原料易得，钨丝的抗扭刚度也较低，即可以观测到更大的偏转。

所述刻度尺设置于激光帆的反射光路上，距离激光帆的距离为

所述风扇用螺丝螺母安装在驱动激光后端 ，用于对驱动激光进行风冷处理。

本发明中，所述激光帆优选为边长8-12cm的正方形（例如为边长10cm的正方形）。

本发明中，所述真空箱采用亚克力材质，使用真空箱可以最大限度地排除空气的干扰，减小实验的系统误差。

本发明中，所述夹具为3D打印制备的两薄片，尺寸为1cm*0.5cm*0.1cm，通过螺丝螺母将激光帆与钨丝连接起来。

本发明中，激光帆表面有PET镀铝膜，使用铝膜的原因在于，反射率较高，且反射率对激光波长不敏感。为了提供结构支撑，将PET铝膜粘在叉型PVC膜上。

本发明中，激光帆上的磁铁片与在激光帆两边放置的铝块构成电磁阻尼，可以有效遏制因气流和温度不均引起的扰动。同时电磁阻尼也可使整个系统在受到微小振动后快速稳定下来，提升整个系统的效率。

本发明中，所述驱动激光，可以选用波长为450nm，功率为10w，被亚克力真空箱部分吸收反射折射后，实际照射到激光帆上的功率约为8.48w。激光冷却方式为风冷，风扇产生的微小振动可以通过在真空箱下部垫橡胶垫以及电磁阻尼来消除。

本发明中，还采用具有延迟摄影功能的相机，放置在刻度尺正前方，将光斑移动的过程拍摄下来。

本发明可以精确测量激光帆在激光光压激励下产生的偏转运动，并通过加入电磁阻尼消除了实验中大部分噪声，具有较好的稳定性和可重复性。

附图说明

图1装置原理图示。

图2装置结构图示。

图3实验结果，激光分别开启和关闭后，光斑在刻度尺上的移动情况。

图中标号：1为真空箱，2为铝架，3为卡槽，4为钨丝，5为激光帆，6为铝块，7为磁铁，8为驱动激光源，9为定位激光源，10为相机，11为刻度尺。

具体实施方式

下面是通过实施例对本发明作进一步举例描述。

实施例1：

使用的材料及其参数如下所示：悬丝为钨丝，直径

该装置的操作步骤如下：

（1）调整铝块与磁铁的距离，使其能较好地抑制激光帆的振动且不会影响激光帆的偏转。关闭真空箱，使用真空泵抽取真空。

（2）开启定位激光，照射在激光帆的反射膜上，调节定位激光的焦距以及照射位置，使被反射后的光斑面积尽可能小且落在刻度尺的中心.开启驱动激光，确认驱动激光的照射面积足够大，不会烧毁激光帆。完成后关闭驱动激光，调整相机的位置，准备工作结束。

（3）开启驱动激光，并照射在激光帆左端，可以观察到刻度尺上的光斑发射了位移，表明激光帆发生了偏转，关闭驱动激光后，光斑回到初始位置。

（4）重复步骤（3）3次后，调整驱动激光照射位置，使其照射在激光帆右端，此时可以观察到刻度尺上的光斑向反方向移动，关闭驱动激光，光斑回到初始位置，重复3次后实验结束。

（5）将实验视频处理成实验数据图，如图3所示，实验测量值约为8.69cm。

（6）理论值计算公式为

实施例2：

悬丝为钨丝，直径

重复实施例1的操作步骤，得到光斑偏移的实验值约为44.8cm,理论值计算结果为51.3cm，两者误差为12.7%。