用激光给高超音速飞行器释放前所未有的速度

用激光在高超音速飞行器前爆破空可以释放前所未有的速度

几十年来，美国防部一直在研究一种彻底的减阻技术，该技术涉及将车辆包裹在定向能量诱导的等离子体中。

在过去十年中，国防研究和进展中最重要的两个主题是定向能系统和高超音速武器。国防部及其主要承包商一直在推动这些技术的极限，这些努力可能很快就会永远改变战争的面貌。

事实证明，这两个前沿国防研究领域正开始在实验室中融合，目标是使空中武器的速度达到前所未有的水平。通过将先进的定向能技术与最新的高超声速飞行器设计相结合，私人和国防部资助实验室的研究人员已经为设计将整个飞行器包裹在激光和/或微波诱导等离子体中的系统奠定了基础，以大幅减少阻力。如果开发成功，这一概念可能有一天会导致速度和激进的新形式的空气动力学操纵和飞机设计的新领域。

快速进展的高超音速景观

随着世界军事超级大国在新一轮军备竞赛中争夺地位，高超音速技术已被推向国防和航空航天研究的前沿。这些载具和武器代表了真正的飞跃能力，使飞行速度甚至可以超过最先进和最强大的防空系统。拦截并摧毁一枚落在弧形轨道上的弹道导弹是一回事，但试图拦截一枚速度超过五倍音速并在轨迹上突然改变的导弹完全是另一回事。毫无疑问，高超音速系统正在成为美国军队在印太地区等关键战区未来战略的组成部分。

研发已经使几个系统接近运行状态。美国空军和洛克希德·马丁公司正在研究AGM-183A空射快速反应武器(ARRW)，这是一种助推滑翔高超音速系统，据称能够达到20马赫的速度。楔形ARRW已经在B-52同温层堡垒上进行了受控飞行测试，估计将于2022年投入使用。与此同时，陆军和海军与导弹预防局(MDA)一起测试了他们自己的高超音速运载系统，即通用高超音速滑翔体飞行器(C-HGB)。还有许多其他项目正在进行中，包括吸气式高超音速巡航导弹设计，如HAWC，以及大量的机密工作。

一枚洛克希德·马丁公司制造的AGM-183 ARRW(空射快速反应武器)高超音速导弹在美国空军B-52上进行受控行试验。

与所有高超音速系统一样，超高速度飞行的阻力和由此产生的热应力是这些飞行器面临的两个最大障碍。即使采纳先进的几何结构，高速飞机表面的摩擦也会产生极高的热量，这可能会降低机身的结构完整性，损坏内部部件，甚至可能造成灾难性的后果。

减轻热量积聚的方法之一是在机身的外表面增加屏蔽。这可能会增加飞行器的重量，从而降低其航程、机动性和最高速度。热屏蔽对航空航天设计师的要求也可能非常严格，他们正在寻求推动大气间速度的极限。

调整飞行器的几何形状可以减轻阻力，这也有助于减少热量的积存。然而，由于材料科学的局限性以及高超音速飞行器内部包括各种子系统和有效载荷的需要，几何形状可以改变多少是有限制的。因此，迫切需要其他减阻方法与机身几何形状结合使用。就像当今许多其他尖端国防和航空航天研究领域一样，定向能的突破可能会在这方面发挥作用。

通过定向能沉积减少阻力

除了正在进行的高超音速革命，国防部还在定向能系统上投入了大量资金。在过去的十年中，随着固态系统的迅速成熟，在功率和小型化方面发生了许多巨大的飞跃，使它们能够用于新的应用。

激光武器已经被开发和测试用于海军舰艇甚至飞机上，而其他形式的定向能系统，如高功率微波，已经被设计用于能量束概念、近距离预防系统和反卫星技术。虽然大多数关于定向能的讨论都集中在对防空系统、导弹预防系统或反卫星系统进行革命的潜力上，但事实证明，定向能可以对高速航空推进系统和机身设计产生同样重大的革命。

至少自20世纪80年代以来，许多领先的航空航天实验室已经探究了“能量沉积”的概念，以减少阻力。这个概念包括以激光细丝、电弧或微波辐射的形式沿着飞机前缘或飞机前方发射能量，以调节空气，使其更有利于高速飞行。类似的概念在过去已经被测试过，用于不同的目的，包括洛克希德A-12上的电子枪，旨在减少飞机的雷达特点。

1983年，美国国家航空航天局资助了一项由BDM公司进行的研究，该研究由激光光推进概念的先驱莱克·迈拉博发起，迈拉博建议使用激光在高速飞行器前爆炸空气。迈拉博最初的概念集中在小型轻型飞行器上，由地面激光聚焦在它们的尾部。这些提议的飞行器还将采纳内部镜像光学系统，然后将这些光束重新定向，在飞行器前方产生“激光支持爆炸”或“LSD波”。

这种LSD波将在“前缘前方一段距离处”产生一个分离的冲击波，从理论上讲，这将“起到推动大气的作用，从而抑制强弓形激波和相关波阻力的形成”。从理论上讲，LSD波产生的高温加压气体也会被飞船的吸气发动机使用，从而减少燃烧所需的能量。

迈拉博在整个20世纪90年代更新了这个概念，以应对当时高功率激光器的局限性。在1995年格雷戈里·波普在《大众机械》上发表的一篇文章中，迈拉博声称，从头顶卫星发射的脉冲微波能量可以集中在飞船前方，“将空气吹成等离子体”，然后，围绕着飞船的强大超导磁体将等离子体向下聚焦，以产生推进力。正如波普的文章所指出的，“NASA官员看到了一些组件技术的前景，但没有预见到短期的回报。” 迈拉博的激进概念似乎从未离开过地面。

然而，其他研究人员继续探究类似的概念。1999年，澳大利亚航空航天研究员H. David Froning进行了一项由AIAA发表的题为“EM放电对高超声速飞行器升力、阻力和吸气推力的影响”的研究，该研究调查了“通过电弧或激光或微波辐射形成等离子体”。利用计算流体动力学，Froning发觉“高超音速飞行器机头部分的电或电磁放电在整个飞行器范畴内向下传播，并通过发动机——不仅影响机头阻力，还影响温度、压力和飞行器的总推力、阻力和升力。”这些只是计算研究，但它们为未来进展这些系统建立了一个理论框架。

在过去的二十年里，巴西和纽约罗彻斯特伦斯勒理工学院的研究人员在这一理论研究的基础上，设计了实验来测试高超音速风洞中的能量沉积。这个概念后来被称为激光支持定向能空气刺突，或DEAS。Leik Myrabo再次参与了这项研究，这次是和一组巴西研究人员一起。

巴西机械科学与工程学会

2005年，Myrabo和巴西的研究人员在高超声速风洞中测试了DEAS概念，得出结论:“激光支持的DEAS能够产生比新模型测试的表面压力降低，因此，气动阻力大大降低”，这是半球形测试模型所经历的。

巴西机械科学与工程学会

Myrabo的概念似乎吸引了几家顶级实验室的注意。2010年，《推进与动力》杂志发表了一篇文章“回忆:激光消融推进”，其中包括美国空军科学研究办公室(AFOSR)、洛斯阿拉莫斯国家实验室和世界各地学术机构的人员。该评论指出，当时巴西研究人员已经证明“高超音速阻力可以减少多达40%”，并引用了美国、巴西和澳大利亚研究人员在激光辅助推进方面的合作。

到2011年，Myrabo的团队正在与巴西空军和美国空军研究实验室合作研究DEAS概念。奇特的是，该团队当年的一份出版物提到了“巴西-美国BEP合作”(光束能量推进)计划，这一说法似乎得到了《连线》杂志和《麻省理工学院技术评论》在同一时间发表的额外报道的支持。

2010年的一份AFOSR报告也提到了由伦斯勒理工学院(RPI)和位于巴西圣荷西多斯坎波斯的Estudos avanados研究所(IEAv-CTA)的Henry T. Nagamatsu空气热力学和高超音速实验室(HTN-LAH)监督的这样一个项目。

根据AFOSR的报告，这种合作“是由双方(RPI和IEAv-CTA)设想的共同研究目标以及为AFOSR研究提供的独特设施和设备锻造的:即a) HTN-LAH的运行T3高超声速激波隧道;b)经AFOSR批准运往巴西的两台Lumonics TEA 620激光器。”

约翰霍普金斯大学应用物理实验室(Van Wie 2004)、罗格斯大学(Knight 2008)的研究人员也探究了类似的能量沉积概念。Anderson & Knight 2012)，法国光学应用实验室(Elias 2018)，俄罗斯科学院(Fomin 2004)，以及许多其他实验室。

在AIAA航空航天研究中心数据库中搜索，可以找到11,000多个关于能量沉积的各种航空航天应用的结果。许多大型飞机制造商都获得了类似系统的专利，包括波音公司和洛克希德马丁公司。

国防部能源沉积研究

美国国防部已经进行了自己的研究，将能量沉积作为减少高速载具阻力的概念。美国空军也是许多与等离子体空气动力学相关的专利的受让人。

这并不意味着国防部停止了解决这些问题的努力。2009年，AFRL发表了另一项名为“超音速/高超音速温度/减阻和飞行器操纵的能量沉积线”的研究。该报告由位于亚利桑那州图森的物理、材料和应用数学研究(PM&AM)研究副总裁Kevin Kremeyer撰写。Kremeyer拥有许多通过使用定向能来减少阻力的系统专利。

在2009年美国空军研究实验室的研究中，克莱梅尔描述了使用激光脉冲在飞机周围的空气中制造电离路径，然后通过该路径传递电流，基本上在载具前方形成一个微型闪电。通过创建这些电离路径在不同角度相对于飞机的运动，据称，可以完成新的形式的飞行器操纵，完全不需要外部操纵面:

减小一定角度或“偏离轴”的阻力可以操纵载具，因为它将沿着前方低密度管道的中心行驶。这展现了使用车辆的车身作为唯一需要的操纵和提升表面的诱人能力，因为它平稳了力矩/力，使车辆限制在低密度的路径内。

Kremeyer声称，这可以在极端速度下实现更有效的机动，并指出“实现这项技术所需的每个技术元素都已在实验室中单独进行了演示，没有明显的物理限制阻碍作为一个完整的系统执行。”

美国空军并不是唯一调查能源沉积的美国军事部门。美国海军研究实验室2015年的一项题为“利用光产生的空气密度通道引导超音速炮弹”的研究指出，“通过强烈飞秒激光脉冲成丝状沉积的能量可以产生降低空气密度的通道”，并且该通道可用于操纵飞行炮弹的轨迹。虽然该报告关注的是小型射弹而不是飞机，并描述了在射弹外部使用激光而不是携带在射弹上，但其概念与这里引用的其他研究相对一致:使用定向能来减少载具或射弹路径前方的空气压力。

2017年，美国宇航局甚至在兰利研究中心进行了一项研究，在模拟飞机高速飞行之前，对激光放电的“减阻和能量效率的实验测定”进行了研究，美国能源部(DOE)也研究了同样的概念，以提高风力涡轮机的性能。

物理、材料与应用数学研究

自2002年以来，Kremeyer和他的公司物理、材料和应用数学研究已经获得了至少48份由国土安全部、国防部、能源部和NASA提供的SBIR合同，主要集中在先进材料、短脉冲激光器和其他定向能应用方面。根据他们的网站，PM&AM的研究主要集中在减阻和高超音速飞行动力学上，该公司声称其减阻技术“有可能在超音速/高超音速飞行时排除90%以上的阻力。”目前还不清楚减少90%阻力的说法有多可信，但如果事实证明这是真的，或者哪怕是一点点正确，这种技术将在空气动力学性能方面代表一个完全改变游戏规则的人。

在2019年的一项专利中，PM&AM的克莱梅尔声称，他的系统可以通过短激光脉冲电离和加热载具周围的空气来减少阻力，帮助推进，并减少飞机经历的热效应。然后将微波能量脉冲到激光诱导的等离子体中，进一步加热车辆前方的空气:

我们提出的技术主要依靠于在载具冲击波之前，以精确定义的扩展几何形状将电磁能量耦合到空气中。自20世纪60年代以来，激光“放电”或“火花”的研究取得了巨大成功。得到了不同波长的标度关系，并确定了尘埃和载流子扩散等作用机制。然而，对于我们的应用，我们需要的不仅仅是空气中的火花。我们需要一个操纵优良的延伸空气，以尽可能有效地加热。这些方法仍旧可以优化，我们的主要兴趣之一是由激光脉冲在大气中传播产生的电离和能量沉积。

类似于沿着封闭路径使用放电，由电离激光脉冲(如激光灯丝)引导和启动，能量也可以沉积在载具前方更远的地方，使用更远程的沉积技术，如沉积微波能量，其沉积是通过在载具前方创建一个电离区域来播种/促进的，同样，可能使用激光等离子体。

Kremeyer还声称，这种能量沉积系统可以减轻音爆和其他噪音或共振，并有助于各种非航空航天工业和制造过程。

2011年，PM&AM公司获得了美国空军第一阶段SBIR合同，价值99,999美元，标题为“激光/微波能量沉积以改善高速载具的操纵/性能”。无法找到这个SBIR产品的原始列表，但在一个俄罗斯网站上存档了一个。

根据这个存档版本，AF103-009的目标是“开发和演示激光微波脉冲放电，以在高速气动流动中产生表面和体积等离子体区域，以改善飞行器性能和飞行操纵。”描述部分继续指出，使用激光，“可以想象，通过图案回转，可以雕刻和定制表面和体积的放电云，使其具有二维或三维形状，可以策略性地放置在载具上或上方，从而有利于减少阻力，车辆转向，并可能减少传热。”

SBIR.gov网站上列出的项目摘要和项目效益如下:

摘要:在这项工作中，我们将第一形成激光等离子体，将聚焦微波爆发的能量耦合到空气和表面上。激光等离子体的存在同意更低的微波强度耦合其能量到激光预电离表面或空气体积，同意更有效的能量传递和使用低功率微波系统来达到预期的效果。我们将使用各种激光脉冲，包括超短激光脉冲，它可以达到播种表面和空气所需的强度，即使每个脉冲的能量很小。这是它们短脉冲宽度的直接结果，并且将同意非常低的平均激光功率作为种子，依靠更经济有效的微波源来沉积大部分能量。在这项工作中，我们的团队将确定能量上有利的高速条件，在此条件下实现激光微波放电。我们还将确定测试旋转激光微波系统所需的测试参数，该系统在静止和流动的空气中产生雕刻的表面体积放电。最后，我们将确定第二阶段的计划，以开发和演示激光微波系统。

好处:该技术的好处将提高高速空中平台的操纵和性能，包括军用和民用飞机，以及无人系统(包括导弹和再入飞行器)，以及空间进入和再入飞行器。由此产生的操纵效应器中可能没有活动部件，这将极大地改善成本、风险、性能和使用寿命。

2013年，PM&AM赢得了美国宇航局价值124,991美元的SBIR合同，以“证明在超音速流动中使用基本的、经过验证的技术来沉积能量的可行性，通过创建低密度的“气泡状”区域来操纵/压缩/强制移动边界层流体，从而减少粘性表面摩擦。”NASA.gov网站公布的同一份合同显示，该技术可用于“提高各种超音速政府和工业平台的空气动力学效率，包括超音速公务机、商用和军用太空飞行器、超音速巡航飞行器和高速交付平台”。

2015年，PM&AM空军SBIR进入第二阶段，新合同价值1,199,999美元。在第二阶段，PM&AM计划“开发并演示一种激光微波系统，该系统能够在不需要微波腔的情况下将聚焦微波爆发的能量耦合到静止空气中，从而使配置更适用于提高高速载具的性能。”该合同还声称，PM&AM的激光微波系统将在高超音速和其他高速飞行器所经历的各种压力范畴内进行测试。

在执行服务理事会网站上发觉的2016财年DARPA资金电子表格列出了价值15万美元的“士兵保护系统”项目下的相同合同号。在Kremeyer的2020年专利“用于修改和操纵冲击波和超音速流的能量沉积系统，设备和方法”中，声称同一类型的激光微波能量沉积系统可用于保护地面车辆免受IED或其他爆炸物产生的冲击波或冲击波的影响。根据其网站，DARPA的士兵防护系统专注于“能够操纵弹道或爆炸能量汲取和传播的材料和材料系统”。

为了帮助从实际系统开发的角度来理解这项研究，采访了约翰霍普金斯大学应用物理实验室空中和导弹预防部门负责人David Van Wie博士。在其他航空航天和国防主题中，Van Wie发表了大量关于能量沉积减阻系统和其他基于等离子体的空气动力学概念的文章，并领导了AFRL的“未来航空航天飞行器的高级物理系统研究”。

Van Wie介绍，虽然上述能量沉积系统所需的功率水平在当今的飞机动力系统中确实是可能的，但任何飞机减阻系统都必须容纳相应的重量，这将抵消系统可能产生的一些增益。他说:“要集成到任何有用飞机上，安装在涡轮发动机上的1兆瓦发电机都是一个相当沉重的系统。”“这并不是说你做不到，但最终产生适当水平的动力来实现合理的阻力减少是一个重量挑战。”

他指出，效率是减阻能量沉积的关键，因为减阻水平必须与增加的重量和功率要求进行权衡。“减阻系统必须比发动机更有效，否则使用减阻系统就没有意义;你只需要造一个更大的引擎。”

Van Wie不知道这些类型的能量沉积系统有任何实际的飞行测试，因为将这样的系统集成到飞机上仍旧非常复杂和昂贵。此外，他指出，“即使考虑到已经产生的所有学术和风洞论文，像这样的系统的运行效率仍旧存在相对重大的不确定性。”对于能够实现的性能，仍旧存在相当多的不确定性。”

尽管如此，Van Wie表示，Kremeyer和其他人提到的相当显著的减阻水平“不仅仅是理论上的”，而且已经在风洞测试中实现，尽管这些测试通常涉及钝测试体和其他非飞机形状。“真正的问题是，我能在一个更适合飞行器的系统上获得什么样的效率，这是一个空气动力学形状，它的基本设计是没有太多阻力，”他说。“效率问题最终与形状等问题联系在一起，所以你必须一起回答这些问题。我能否在一种典型的飞行器配置中同时获得高效率，这种飞行器已经具有很高的空气动力学效率了?”

对马上发生的事情的可能一瞥

对高超音速武器和飞行器的兴趣在整个航空航天国防工业综合体中爆炸式增长，全面出现了大量的合同机会。五角大楼对高超音速武器的胃口已经变得如此巨大和紧迫，以至于它已经公布了几乎任何高超音速技术的合同机会。

随着蓬勃进展的高超音速革命，定向能系统继续变得更小、更强大，像上面提到的能量沉积概念这样的应用似乎比过去几十年更有可能。国防部对固态激光技术的研究使定向能武器更加便携，使其能够安装在水面舰艇上或飞机上的吊舱中。我们可以毫不夸张地说，定向能系统最终可以小型化、高效地应用于减阻或流量操纵系统。

艺术家描述的未来飞机用定向能武器排除威胁。

上面提到的能量沉积研究是一个少见的案例，在这个案例中，国防部最尖端的两个研究领域有可能结合起来，形成一种全新的、完全强大的能力:能够以令人难以置信的速度极其高效地飞行的高超音速飞行器，这一壮举是通过激光和微波的革命性新应用实现的，这些应用与量身定制的空气动力学形状和高超音速推进相结合。

当然，上面提到的所有研究都只是公开发表的研究的一小部分。毫无疑问，在分类世界中，能量沉积的研究也处于不同的阶段。特别是现在。考虑到国防部准备在2021年在机密项目上花费超过710亿美元，人们只能想象哪些类型的未公开高超音速平台和定向能系统正在开发，因为这是当今武器进展中最具战略竞争力的两个领域。

随着这两个前沿技术研究领域以空气动力学操纵的能量沉积形式不断融合，全新的飞机设计、推进和操纵形式可能会出现，并在地球大气层内实现在速度方面开发新的领域。