激光推进的新概念飞行器

作者：王家乐，精工书院

一

背景知识

激光推进是利用远距离高能激光加热工质，使得工质气体热膨胀或者产生电流间接产生推力，推动飞行器前进的新概念推进技术。驱动的飞行器有火箭、无人飞机等。激光推进是推动飞行器前进的新概念推进技术，具有比冲高、有效载荷比大、发射成本低等优点，可广泛用于微小卫星近地轨道发射、地球轨道碎片清除、微小卫星姿态和轨道控制等领域。激光推进的工作原理主要是指从远距离地基激光装置发出的高能激光束，经过推进器的抛物面反向镜聚焦到吸收室(类似于化学火箭发动机的燃烧室)或换热器上。当聚焦区域的激光能量密度达到或超过气体的击穿阈值时，吸收室里的空气便会形成高温高压的等离子体流场喷射而出，其反作用产生推动飞行器前进的推力。略有不同的是．当工质为液体或固体时，在激光照射下．会发生气化，喷射而出的是高温高压的蒸汽流。激光推进的主要特点如下：(1)飞行器与能源的分离。飞行器仅携带工质，产生动力的能量来源于激 光器（一般部署在地面），通过远距离传输激光能量进行能源的补给，不必携带 庞大笨重的能源系统。(2)能源与工质的分离。可以选用安全的工质，即比冲较高和分子量小的 “轻型”工质，不必携带易燃易爆甚至有毒的推进剂。激光推进由于上述两个分离，带来了推进技术的革命，其主要特点是：比冲 大、成本低;机动性好、可靠性高;远距离传输能量，在轨机动能力强；发射周期 短、批量发射能力强。应用前景激光推进主要应用前景如下：(1)单级发射微小卫星。根据齐奥尔科夫斯基公式,传统化学火箭推进系 统比冲在200s ~500s范围，无法实现单级入轨。激光推进系统比冲可达2000s， 其至更高，可实现单级入轨。(2)在轨卫星的姿/轨控。对微小卫星编队飞行的姿态和轨道精确控制，要 求最小冲量单位为10-6N· s～10-4N · s 量级，激光微推力器可提供毫牛·秒到 微牛·秒，甚至更小量级的最小冲量。(3)临近空间飞行器的动力。地基激光能源系统，通过远距离传输激光能 量，为临近空间飞行器提供动力。(4)高超声速飞行器减阻。在高超声速飞行器钝头体前方用高功率激光击 穿空气产生高温高压扰动区，并形成空气锥，从而达到减阻的目的。(5)空间碎片清除。采用激光推进技术可实现地基激光清除空间碎片或天 基激光清除空间碎片。

二

国内外研究现状

（1）国外研究现状

自20世纪60年代中期以来,美国就开始研究激光与固体靶之间的动量和能量转换。1972年,美国的Kantoriwtz首先提出了激光推进的概念:利用从地面远距离传输供给的激光加热火箭发动机中的推进剂,使其温度急剧上升,形成高温高压气体或等离子体,然后从飞行器尾部喷管喷射出去产生反推力。激光推进无需传统化学推进中的大质量分子氧化剂,而且燃烧温度能大大提高,可产生很大的比冲。他在假设能量完全转化的理想情况下,计算出将质量为IT的有效载荷发射到近地轨道所需的激光功率为40MW。20世纪70年代美国航空航天局(NASA)和美国空军武器研究室等单位开始系统研究等离子体的膨胀过程、激光推进系统的推力、比冲和能量藕合系数等特性,获得了5005的比冲和10~lodyr“W的能量祸合系数。20世纪80年代以来,实验研究主要集中在:通过改变激光参数(波长、能量密度、脉宽)和靶的选材、形状来研究激光辐射的动量传输和能量藕合系数,使激光推进理论更加完美,明确肯定了激光推进能对推力、比冲和推进剂进行独立控制;能源可从远处传输给飞行器;可获得比化学火箭发动机更高的比冲等优点,展示了动力传输、轨道一轨道推进、地基一轨道推进、遥感和通信以及军事上的反卫星与卫星防御等领域良好的应用前景。1989年美国战略防御倡议组织已投资数百万美元进行一项试验性计划,开始研究采用地基曰轨道激光推进方式将小的实验性有效负载送人轨道。空军菲力普实验室进行了一系列地基一轨道激光推进可行性的演示实验研究,所用激光功率为30kw一IMW,轻质飞行器的直径为20.c3m。1996年,美国空军研究实验室的推进部与NASA的Masrhal空间飞行中心合作,联合承担了名为UghtcraftTechnolo-gyDemosntrator的项目研究和实验论证,主要目的是设计一种利用激光推进的低成本的空间传输系统,并于1997年在白沙导弹基地首次成功试验了线导的激光推进实验,解决了飞行稳定性问题,其意义正如Wirght兄弟第一次实验飞机一样。在10kw、脉宽18ms的二氧化碳脉冲激光的推动下,碟状盘飞行器上升了0.3m。1998年,伦塞勒工学院的Myrabo和AFPL合作在美国白沙导弹基地用10kw脉冲二氧化碳激光器将直径14cm、重50g的飞行器垂直自由升高4.27m(用激光定位和跟踪系统控制),水平滑行121.3m。随后,又用10kw脉冲二氧化碳激光器(450J,20Hz)把一个直径约13.5cm、质量约42.5g的6061一T6型铝质试验模型在3s内送上了大约22.86m的高空。1999年7月9日,Myrabo等将直径为11cm的光船发射到39m的垂直高度。2000年10月,LTI将直径为12.2cm、重50g的光船发射到l7m的高空,光船飞行12.7s。这是迄今为止飞行时间最长、高度最高及飞船重量最重的记录。限制这一记录提高的主要原因是缺乏更大功率的激光器。LTI已经资助开发优良的脉冲放电二氧化碳激光器,在其功率达到100kw时可以将光船发射到太空边缘。LTI计划将Ikg以下的小卫星用IMW、IkJ、1000Hz的地基脉冲二氧化碳激光器发射到近地轨道,短时间内与NASA合作再创推进高度304.8m的新记录;并预测激光发射技术一旦获得广泛应用,将使得发射费用降低2个量级左右,将一个Ikg微小卫星推进到近地轨道仅需几百美元,远低于用航天飞机发射所需的10000$/kg的费用,可反复使用且可靠性高。其潜在商业应用至少包括:1)未来大型卫星的小关键电子部件在太空抗辐射能力的测试;2)短时间零重力加速度试验;3)高分辨成像和地图绘制;4)全球定位系统;5)太空望远镜;6)安全远程通信;国际空间站中电子产品更轻的取代品;8)危险探测和跟踪。德国空间中心从20世纪90年代起也开始了激光推进的实验研究。2000年4月DLR技术物理研究所的Bohn小组报道了采用脉冲二氧化碳激光器(200J,45Hz)推进直径10cm,重55g的铝合金抛物面光船线导飞行8m高的研究成果,并提出了采用400kw脉冲二氧化碳激光器将10kg的飞行器发射到近地轨道的设计要求。前苏联从20世纪60年代就开始研究激光辐射与各种靶材作用所产生的等离子体。1976年提出“激光空气喷气发动机”概念。1978年报道了在大气条件下的激光推进,利用脉冲二氧化碳激光的空气光学击穿所产生的冲击波能量获得50dyn/W的能量耦合系数。1984年报道了利用高功率密度（10^8~10^9W/cm^2）的Q开关铷玻璃激光研究激光喷管中的等离子体的磁场问题。1990年报道了前苏联研制的激光推进实验装置。俄罗斯ISTC一929计划在90年代重点在理论和实验上研究了强激光束与大气的相互作用,以及线性和非线性自适应光学元件。RILP和RICTOD发展了一系列数值计算方法来模拟激光束与激光诱导大气等离子体之间的相互作用。1999年RICTOD在200m高度用重复率脉冲二氧化碳激光器实验验证了理论计算结果。2000年俄罗斯报道了大气环境中有关大气现象对激光推进能力的影响,以及采用激光推进来对小球进行加速的研究结果,展示了脉冲调制的二氧化碳激光器用于激光推进的美好前景。俄罗斯还制定了为期三年的ISTC一1801计划,分3阶段进行:第一阶段以推力产生的爆炸机制为基础,对LPDE产生推力的过程进行实验和理论模拟;第二阶段是对真空条件下的LPDE工作模式的模拟,也包括计算机模拟和实验;第三阶段在大气中利用LPDE进行轻飞行器的线导飞行实验,欲达到40一50m的高度。日本1990年也报道了研制成功激光推进实验装置。2002年6月,东京工业大学的Yabe等人利用590mJ、5ns的YAG激光器推进纸飞机,该研究有望用于观察气候变化和火山爆发。目前,Yabe小组正在研究用激光推进100g的飞机及用激光驱动机器人在核反应堆事故时工作。

正是由于激光推进在这方面有着巨大的潜在优势,美国、德国和俄罗斯等发达国家在激光推进领域一直进行着坚持不懈的努力,许多基础问题和技术难题不断被攻克,展示了激光推进的诱人前景l0I]。美国NASA计划利用100kW的二氧化碳激光器将104.3kg、l.2m直径的光船激光推进发射到9.6km以外的大气层边缘,速度达到5马赫。新墨西哥大学和空军科学研究室联合报道了利用微型激光等离子体推动小型卫星的研究成果。

除了在利用地基激光发射小卫星方面不断取得进展外,在轨道推进和空间碎片清除方面国外也表示出极大的关注。1999年在日本大阪大学激光技术研究所召开的“现代高功率激光器及其应用”国际研讨会上,详细报道了激光在宇宙应用方面的研究进展:如美国采用高功率脉冲激光从近地轨道上清除宇宙垃圾,日本采用航空定位高功率激光器及相位共扼技术改变太空物体轨道的太空激光研究计划,使太空搬运物体的代价降低25倍。而2002年7月召开的“大功率激光剥IV”会议上,专设了“激光推进与微推进”专题,专门讨论了到2005年将Ikg重的物体发射到50km高空的问题。2002年11月,在美国举行的“第一次束能推进国际会议”上,激光推进仍是重点讨论的问题。

（2）国内研究现状

20世纪80年代末,华中科技大学激光技术国家重点实验室首次在国内提出开展激光推进技术基础研究的项目申请,并得到了原国防科工委的批准,作为国防基础研究课题予以立项。该项目主要是研究多种材料激光烧蚀特性,现已结题,并取得一些基础研究成果。

1）建立了激光推进参数测量的实验装置及其实验方法,研究了激光推进的推力、比推力、能量藕合系数等参数与激光参数（波长、功率、脉宽等）及使用材料性质的关系。发现激光能量越大、脉宽越窄、光斑尺寸越小,所产生的激光推进效果就越好。因此,要得到好的激光推进效果,就必须提高人射激光功率密度。

2）将单脉冲能量7J、入射激光功率密度6.7x10^5W/cm^2“、脉宽lms的YAG激光聚焦到环氧树脂板上,获得单脉冲激光推力0.5N、比推力120s、能量耦合系数、功率转换率4.99%的实验结果。

3）利用万瓦二氧化碳激光束进行了大气远距离传输及与物质相互作用实验,获得使玻璃靶料在强激光作用下碎裂并飞出十几厘米的实验结果。

2000年以来,装备指挥技术学院在激光技术国家重点实验室基金及装备指挥技术学院科研基金资助下,开始了光船结构优化设计及激光推进机理研究。目前在激光推进机理研究、激光维持爆轰波传播过程的流体动力学数值模拟、激光束经光船内表面的聚焦性能研究、光船设计和加工、光船以吸气模式进行推进的实验方案设计取得了阶段性成果。 2001年,中国科技大学用钕玻璃固体激光器(单脉冲激光能量为20J、波长1.06微米、脉冲宽度2.5ns)研究了烧蚀激光推进机理,首轮实验参数为:弹丸质量5.87g,弹丸速度5.38m/s,升高1.48m。

（3）国内外主要差距

自激光器发明以来，人们就一直期望利用激光方向性好，亮度高，衍射损失小和传输距离远的优点，用来取代火箭发动机化学推进等传统推进技术，以提高火箭发动机的比推力。为此，美国，德国和俄罗斯等发达国家在激光技术领域一直持续进行着有计划地系统的研究。激光推进概念提出以来，有关激光推进机理实验研究我国与国外几乎同步。但自1987年以来，国外在激光推进领域的研究一直没有停止，而我国在这方面的研究 则中断了十几年。国外在发展激光推进领域方面已提出了切实可行的长远规划，并初步形成较完善的理论体系，取得了一系列实验研究成果，如美国NASA和俄罗斯的ISTC-1801计划。而我国有关基础研究还没有形成长远的研究规划，较深入的研究工作近几年才刚刚起步。

我国与国外在激光推进研究领域存在着至少十年的差距。美国将激光发射小卫星与当年采用液体燃料推进火箭放在同等重要的位置上。面对这样的国际形势，对我国深入系统地开展这方面的研究具有重大的战略意义。

三

未来发展趋势

研究重点有以下几个方面：（1）集中国内在该领域有优势的单位，系统开展相关研究，如高功率，高能量及高重复率的激光器研究，强激光与物质相互作用，强激光大气传播和光电控制技术等（2）有步骤地制定长远规划重点加大研究投资力度攻克有关激光推进关键技术。（3）从应用角度上看，应以具有巨大市场和战略意义的微小卫星激光发射为突破口，力争通过2~3个五年计划，将千克级的微小卫星发射到近地轨道。

四

感想与建议

在激光推进飞行器领域，中国与国外的差距依旧十分明显。其实在我看来，激光推进飞行器还是要在激光的功率上下功夫。或许我们能够改进发出激光的方式，甚至不用激光，用其他的更有效的东西，如果能达到更好的效果就行了。我觉得，应该多进行在太空中的实际性的研究，令其更好地去适应太空环境。相信只要我们每一位科研人员敢于打破权威，敢于挑战认知，积极创新，不断改正，紧抓国家发展机遇，就一定可以迎头赶上发达国家甚至超越。

来源：北理工飞行器控制系统实验室