背景知識

激光推進是利用遠距離高能激光加熱工質，使得工質氣體(ti) 熱膨脹或者產(chan) 生電流間接產(chan) 生推力，推動飛行器前進的新概念推進技術。驅動的飛行器有火箭、無人飛機等。激光推進是推動飛行器前進的新概念推進技術，具有比衝(chong) 高、有效載荷比大、發射成本低等優(you) 點，可廣泛用於(yu) 微小衛星近地軌道發射、地球軌道碎片清除、微小衛星姿態和軌道控製等領域。激光推進的工作原理主要是指從(cong) 遠距離地基激光裝置發出的高能激光束，經過推進器的拋物麵反向鏡聚焦到吸收室(類似於(yu) 化學火箭發動機的燃燒室)或換熱器上。當聚焦區域的激光能量密度達到或超過氣體(ti) 的擊穿閾值時，吸收室裏的空氣便會(hui) 形成高溫高壓的等離子體(ti) 流場噴射而出，其反作用產(chan) 生推動飛行器前進的推力。略有不同的是．當工質為(wei) 液體(ti) 或固體(ti) 時，在激光照射下．會(hui) 發生氣化，噴射而出的是高溫高壓的蒸汽流。激光推進的主要特點如下：(1)飛行器與(yu) 能源的分離。飛行器僅(jin) 攜帶工質，產(chan) 生動力的能量來源於(yu) 激 光器（一般部署在地麵），通過遠距離傳(chuan) 輸激光能量進行能源的補給，不必攜帶 龐大笨重的能源係統。(2)能源與(yu) 工質的分離。可以選用安全的工質，即比衝(chong) 較高和分子量小的 “輕型”工質，不必攜帶易燃易爆甚至有毒的推進劑。激光推進由於(yu) 上述兩(liang) 個(ge) 分離，帶來了推進技術的革命，其主要特點是：比衝(chong) 大、成本低;機動性好、可靠性高;遠距離傳(chuan) 輸能量，在軌機動能力強；發射周期 短、批量發射能力強。應用前景激光推進主要應用前景如下：(1)單級發射微小衛星。根據齊奧爾科夫斯基公式,傳(chuan) 統化學火箭推進係 統比衝(chong) 在200s ~500s範圍，無法實現單級入軌。激光推進係統比衝(chong) 可達2000s， 其至更高，可實現單級入軌。(2)在軌衛星的姿/軌控。對微小衛星編隊飛行的姿態和軌道精確控製，要 求最小衝(chong) 量單位為(wei) 10-6N· s～10-4N · s 量級，激光微推力器可提供毫牛·秒到 微牛·秒，甚至更小量級的最小衝(chong) 量。(3)臨(lin) 近空間飛行器的動力。地基激光能源係統，通過遠距離傳(chuan) 輸激光能 量，為(wei) 臨(lin) 近空間飛行器提供動力。(4)高超聲速飛行器減阻。在高超聲速飛行器鈍頭體(ti) 前方用高功率激光擊 穿空氣產(chan) 生高溫高壓擾動區，並形成空氣錐，從(cong) 而達到減阻的目的。(5)空間碎片清除。采用激光推進技術可實現地基激光清除空間碎片或天 基激光清除空間碎片。

二

國內(nei) 外研究現狀

（1）國外研究現狀

自20世紀60年代中期以來,美國就開始研究激光與(yu) 固體(ti) 靶之間的動量和能量轉換。1972年,美國的Kantoriwtz首先提出了激光推進的概念:利用從(cong) 地麵遠距離傳(chuan) 輸供給的激光加熱火箭發動機中的推進劑,使其溫度急劇上升,形成高溫高壓氣體(ti) 或等離子體(ti) ,然後從(cong) 飛行器尾部噴管噴射出去產(chan) 生反推力。激光推進無需傳(chuan) 統化學推進中的大質量分子氧化劑,而且燃燒溫度能大大提高,可產(chan) 生很大的比衝(chong) 。他在假設能量完全轉化的理想情況下,計算出將質量為(wei) IT的有效載荷發射到近地軌道所需的激光功率為(wei) 40MW。20世紀70年代美國航空航天局(NASA)和美國空軍(jun) 武器研究室等單位開始係統研究等離子體(ti) 的膨脹過程、激光推進係統的推力、比衝(chong) 和能量藕合係數等特性,獲得了5005的比衝(chong) 和10~lodyr“W的能量禍合係數。20世紀80年代以來,實驗研究主要集中在:通過改變激光參數(波長、能量密度、脈寬)和靶的選材、形狀來研究激光輻射的動量傳(chuan) 輸和能量藕合係數,使激光推進理論更加完美,明確肯定了激光推進能對推力、比衝(chong) 和推進劑進行獨立控製;能源可從(cong) 遠處傳(chuan) 輸給飛行器;可獲得比化學火箭發動機更高的比衝(chong) 等優(you) 點,展示了動力傳(chuan) 輸、軌道一軌道推進、地基一軌道推進、遙感和通信以及軍(jun) 事上的反衛星與(yu) 衛星防禦等領域良好的應用前景。1989年美國戰略防禦倡議組織已投資數百萬(wan) 美元進行一項試驗性計劃,開始研究采用地基曰軌道激光推進方式將小的實驗性有效負載送人軌道。空軍(jun) 菲力普實驗室進行了一係列地基一軌道激光推進可行性的演示實驗研究,所用激光功率為(wei) 30kw一IMW,輕質飛行器的直徑為(wei) 20.c3m。1996年,美國空軍(jun) 研究實驗室的推進部與(yu) NASA的Masrhal空間飛行中心合作,聯合承擔了名為(wei) UghtcraftTechnolo-gyDemosntrator的項目研究和實驗論證,主要目的是設計一種利用激光推進的低成本的空間傳(chuan) 輸係統,並於(yu) 1997年在白沙導彈基地首次成功試驗了線導的激光推進實驗,解決(jue) 了飛行穩定性問題,其意義(yi) 正如Wirght兄弟第一次實驗飛機一樣。在10kw、脈寬18ms的二氧化碳脈衝(chong) 激光的推動下,碟狀盤飛行器上升了0.3m。1998年,倫(lun) 塞勒工學院的Myrabo和AFPL合作在美國白沙導彈基地用10kw脈衝(chong) 二氧化碳激光器將直徑14cm、重50g的飛行器垂直自由升高4.27m(用激光定位和跟蹤係統控製),水平滑行121.3m。隨後,又用10kw脈衝(chong) 二氧化碳激光器(450J,20Hz)把一個(ge) 直徑約13.5cm、質量約42.5g的6061一T6型鋁質試驗模型在3s內(nei) 送上了大約22.86m的高空。1999年7月9日,Myrabo等將直徑為(wei) 11cm的光船發射到39m的垂直高度。2000年10月,LTI將直徑為(wei) 12.2cm、重50g的光船發射到l7m的高空,光船飛行12.7s。這是迄今為(wei) 止飛行時間最長、高度最高及飛船重量最重的記錄。限製這一記錄提高的主要原因是缺乏更大功率的激光器。LTI已經資助開發優(you) 良的脈衝(chong) 放電二氧化碳激光器,在其功率達到100kw時可以將光船發射到太空邊緣。LTI計劃將Ikg以下的小衛星用IMW、IkJ、1000Hz的地基脈衝(chong) 二氧化碳激光器發射到近地軌道,短時間內(nei) 與(yu) NASA合作再創推進高度304.8m的新記錄;並預測激光發射技術一旦獲得廣泛應用,將使得發射費用降低2個(ge) 量級左右,將一個(ge) Ikg微小衛星推進到近地軌道僅(jin) 需幾百美元,遠低於(yu) 用航天飛機發射所需的10000$/kg的費用,可反複使用且可靠性高。其潛在商業(ye) 應用至少包括:1)未來大型衛星的小關(guan) 鍵電子部件在太空抗輻射能力的測試;2)短時間零重力加速度試驗;3)高分辨成像和地圖繪製;4)全球定位係統;5)太空望遠鏡;6)安全遠程通信;國際空間站中電子產(chan) 品更輕的取代品;8)危險探測和跟蹤。德國空間中心從(cong) 20世紀90年代起也開始了激光推進的實驗研究。2000年4月DLR技術物理研究所的Bohn小組報道了采用脈衝(chong) 二氧化碳激光器(200J,45Hz)推進直徑10cm,重55g的鋁合金拋物麵光船線導飛行8m高的研究成果,並提出了采用400kw脈衝(chong) 二氧化碳激光器將10kg的飛行器發射到近地軌道的設計要求。前蘇聯從(cong) 20世紀60年代就開始研究激光輻射與(yu) 各種靶材作用所產(chan) 生的等離子體(ti) 。1976年提出“激光空氣噴氣發動機”概念。1978年報道了在大氣條件下的激光推進,利用脈衝(chong) 二氧化碳激光的空氣光學擊穿所產(chan) 生的衝(chong) 擊波能量獲得50dyn/W的能量耦合係數。1984年報道了利用高功率密度（10^8~10^9W/cm^2）的Q開關(guan) 銣玻璃激光研究激光噴管中的等離子體(ti) 的磁場問題。1990年報道了前蘇聯研製的激光推進實驗裝置。俄羅斯ISTC一929計劃在90年代重點在理論和實驗上研究了強激光束與(yu) 大氣的相互作用,以及線性和非線性自適應光學元件。RILP和RICTOD發展了一係列數值計算方法來模擬激光束與(yu) 激光誘導大氣等離子體(ti) 之間的相互作用。1999年RICTOD在200m高度用重複率脈衝(chong) 二氧化碳激光器實驗驗證了理論計算結果。2000年俄羅斯報道了大氣環境中有關(guan) 大氣現象對激光推進能力的影響,以及采用激光推進來對小球進行加速的研究結果,展示了脈衝(chong) 調製的二氧化碳激光器用於(yu) 激光推進的美好前景。俄羅斯還製定了為(wei) 期三年的ISTC一1801計劃,分3階段進行:第一階段以推力產(chan) 生的爆炸機製為(wei) 基礎,對LPDE產(chan) 生推力的過程進行實驗和理論模擬;第二階段是對真空條件下的LPDE工作模式的模擬,也包括計算機模擬和實驗;第三階段在大氣中利用LPDE進行輕飛行器的線導飛行實驗,欲達到40一50m的高度。日本1990年也報道了研製成功激光推進實驗裝置。2002年6月,東(dong) 京工業(ye) 大學的Yabe等人利用590mJ、5ns的YAG激光器推進紙飛機,該研究有望用於(yu) 觀察氣候變化和火山爆發。目前,Yabe小組正在研究用激光推進100g的飛機及用激光驅動機器人在核反應堆事故時工作。

正是由於(yu) 激光推進在這方麵有著巨大的潛在優(you) 勢,美國、德國和俄羅斯等發達國家在激光推進領域一直進行著堅持不懈的努力,許多基礎問題和技術難題不斷被攻克,展示了激光推進的誘人前景l0I]。美國NASA計劃利用100kW的二氧化碳激光器將104.3kg、l.2m直徑的光船激光推進發射到9.6km以外的大氣層邊緣,速度達到5馬赫。新墨西哥大學和空軍(jun) 科學研究室聯合報道了利用微型激光等離子體(ti) 推動小型衛星的研究成果。

除了在利用地基激光發射小衛星方麵不斷取得進展外,在軌道推進和空間碎片清除方麵國外也表示出極大的關(guan) 注。1999年在日本大阪大學激光技術研究所召開的“現代高功率激光器及其應用”國際研討會(hui) 上,詳細報道了激光在宇宙應用方麵的研究進展:如美國采用高功率脈衝(chong) 激光從(cong) 近地軌道上清除宇宙垃圾,日本采用航空定位高功率激光器及相位共扼技術改變太空物體(ti) 軌道的太空激光研究計劃,使太空搬運物體(ti) 的代價(jia) 降低25倍。而2002年7月召開的“大功率激光剝IV”會(hui) 議上,專(zhuan) 設了“激光推進與(yu) 微推進”專(zhuan) 題,專(zhuan) 門討論了到2005年將Ikg重的物體(ti) 發射到50km高空的問題。2002年11月,在美國舉(ju) 行的“第一次束能推進國際會(hui) 議”上,激光推進仍是重點討論的問題。

（2）國內(nei) 研究現狀

20世紀80年代末,華中科技大學激光技術國家重點實驗室首次在國內(nei) 提出開展激光推進技術基礎研究的項目申請,並得到了原國防科工委的批準,作為(wei) 國防基礎研究課題予以立項。該項目主要是研究多種材料激光燒蝕特性,現已結題,並取得一些基礎研究成果。

1）建立了激光推進參數測量的實驗裝置及其實驗方法,研究了激光推進的推力、比推力、能量藕合係數等參數與(yu) 激光參數（波長、功率、脈寬等）及使用材料性質的關(guan) 係。發現激光能量越大、脈寬越窄、光斑尺寸越小,所產(chan) 生的激光推進效果就越好。因此,要得到好的激光推進效果,就必須提高人射激光功率密度。

2）將單脈衝(chong) 能量7J、入射激光功率密度6.7x10^5W/cm^2“、脈寬lms的YAG激光聚焦到環氧樹脂板上,獲得單脈衝(chong) 激光推力0.5N、比推力120s、能量耦合係數、功率轉換率4.99%的實驗結果。

3）利用萬(wan) 瓦二氧化碳激光束進行了大氣遠距離傳(chuan) 輸及與(yu) 物質相互作用實驗,獲得使玻璃靶料在強激光作用下碎裂並飛出十幾厘米的實驗結果。

2000年以來,裝備指揮技術學院在激光技術國家重點實驗室基金及裝備指揮技術學院科研基金資助下,開始了光船結構優(you) 化設計及激光推進機理研究。目前在激光推進機理研究、激光維持爆轟波傳(chuan) 播過程的流體(ti) 動力學數值模擬、激光束經光船內(nei) 表麵的聚焦性能研究、光船設計和加工、光船以吸氣模式進行推進的實驗方案設計取得了階段性成果。 2001年,中國科技大學用釹玻璃固體(ti) 激光器(單脈衝(chong) 激光能量為(wei) 20J、波長1.06微米、脈衝(chong) 寬度2.5ns)研究了燒蝕激光推進機理,首輪實驗參數為(wei) :彈丸質量5.87g,彈丸速度5.38m/s,升高1.48m。

（3）國內(nei) 外主要差距

自激光器發明以來，人們(men) 就一直期望利用激光方向性好，亮度高，衍射損失小和傳(chuan) 輸距離遠的優(you) 點，用來取代火箭發動機化學推進等傳(chuan) 統推進技術，以提高火箭發動機的比推力。為(wei) 此，美國，德國和俄羅斯等發達國家在激光技術領域一直持續進行著有計劃地係統的研究。激光推進概念提出以來，有關(guan) 激光推進機理實驗研究我國與(yu) 國外幾乎同步。但自1987年以來，國外在激光推進領域的研究一直沒有停止，而我國在這方麵的研究 則中斷了十幾年。國外在發展激光推進領域方麵已提出了切實可行的長遠規劃，並初步形成較完善的理論體(ti) 係，取得了一係列實驗研究成果，如美國NASA和俄羅斯的ISTC-1801計劃。而我國有關(guan) 基礎研究還沒有形成長遠的研究規劃，較深入的研究工作近幾年才剛剛起步。

我國與(yu) 國外在激光推進研究領域存在著至少十年的差距。美國將激光發射小衛星與(yu) 當年采用液體(ti) 燃料推進火箭放在同等重要的位置上。麵對這樣的國際形勢，對我國深入係統地開展這方麵的研究具有重大的戰略意義(yi) 。

三

未來發展趨勢

研究重點有以下幾個(ge) 方麵：（1）集中國內(nei) 在該領域有優(you) 勢的單位，係統開展相關(guan) 研究，如高功率，高能量及高重複率的激光器研究，強激光與(yu) 物質相互作用，強激光大氣傳(chuan) 播和光電控製技術等（2）有步驟地製定長遠規劃重點加大研究投資力度攻克有關(guan) 激光推進關(guan) 鍵技術。（3）從(cong) 應用角度上看，應以具有巨大市場和戰略意義(yi) 的微小衛星激光發射為(wei) 突破口，力爭(zheng) 通過2~3個(ge) 五年計劃，將千克級的微小衛星發射到近地軌道。

四

感想與(yu) 建議

在激光推進飛行器領域，中國與(yu) 國外的差距依舊十分明顯。其實在我看來，激光推進飛行器還是要在激光的功率上下功夫。或許我們(men) 能夠改進發出激光的方式，甚至不用激光，用其他的更有效的東(dong) 西，如果能達到更好的效果就行了。我覺得，應該多進行在太空中的實際性的研究，令其更好地去適應太空環境。相信隻要我們(men) 每一位科研人員敢於(yu) 打破權威，敢於(yu) 挑戰認知，積極創新，不斷改正，緊抓國家發展機遇，就一定可以迎頭趕上發達國家甚至超越。