简述激光推进及其发展状况

bomoaa

　激光推进是利用远距离高能激光加热气体工质，使气体热膨胀产生推力，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。应用于卫星近地轨道发射时，可使发射成本降低至每千克几百美元，远远低于目前化学火箭每千克上万美元的发射成本，因而受到各国广泛关注。
2 |) b9 q9 J) j& j7 x* t+ d9 J  　　在用作推进动能方面，一旦改变火箭发射方式，变化学燃料推进为激光推进。笔者认为，中国传统火箭将逐步取消，因为这种激光推进技术，能够改变中国火箭一次性使用的问题，以后火箭不但可以重复利用，这样发射成本可以大大降低，一方面大规模使用。激光推进是新的推进方式，而且发射速度很快，所以这项技术的运用，堪比美国航天飞机意义甚至更大。
- ^  E6 }( Y  O* w  　　由于激光具有高功率的毁伤效果，清楚太空中的碎片都易如反掌，试问比太空垃圾大数十倍的太空卫星呢？当然也可以被瞬间摧毁。另外，中国可以利用激光武器对美国反导系统进行再反导，无论是美国的TMD还是NMD只要导弹敢升空，中国就可以点穴式对美导弹进行攻击。美国的中段反导和末端反导都将失去意义。所以说，中国一旦实战化部署这项研究成果，那么世界军事将会产生变革，中美之间的力量对比甚至会以此打破平衡。
( ?4 T3 P6 h" e; E' Z& H7 ?  发展历史
  　　早在1953年，德国空间技术的先驱 E.Saenger 就预言了使用光辐射进行空间推进的可能性。1969年，美国空军火箭推进实验室(AFRPL)的R.L.Geisiler提出了利用激光辅助火箭推进的概念，相关研究成果于1972年6月发表。几乎与此同时，美国Avco Everett实验室的A.Kantrowitz在Astronautics & Aeronautics杂志上发表了名为 “Propulsion to Orbit by Ground Based Lasers”的论文。他认为，利用地基激光器发出的激光束轰击化学惰性推进剂能够提供一种可以克服化学推进系统低比冲限制的新型推进方式。
  　　在激光推进概念提出后不久，A.N.Pirri等人进行了第一个激光推进实验。从公开发表的文献来看，美国20世纪70年代所进行的激光推进的研究大多是在Avco Everett实验室和由该实验室的科学家参与建立的Physical Sciences公司(PSI)中进行的，工作主要集中在激光推进器的设计和可行性验证方面。1974 年A.N.Pirii等人为连续波激光推进设计了一个简单的喷嘴模型，并用脉宽100μs、波长10.6μm、峰值功率兆瓦量级的脉冲CO2激光模拟连续激光，推动该喷嘴模型，在真空中测得了 10~100 dyne/W的冲量耦合系数(1 dyne=10^-5N)；同时，他们也为脉冲激光推进设计了一个使用空气作为推进剂的推进器模型(见图1)测得了25dyne/W的冲量耦合系数。
9 m! B: ]% v8 Y9 {( Y  　20世纪60年代初期，俄罗斯研究人员对激光辐照导致材料蒸发产生的压力进行了研究，并于20世纪60年代中期开展了激光击穿和加热气体的理论研究。20世纪70年代，在俄罗斯科学院院士A.M.Prokhorov的领导下，开展了激光大气呼吸推进器的研究。1977年，他们使用平均功率25W、最大单脉冲能量15J的CO2激光器推进圆锥形的推进器沿着玻璃管运动，获得了 50dyne/W的冲量耦合系数。
  研究现状
   　20世纪80年代，由于平均功率兆瓦量级的超大功率激光器的发展，美国的战略防御计划局(SDIO)开始了对烧蚀激光火箭推进项目的资助，从而推动了烧蚀激光推进概念的发展。20世纪80年代末， 美国空军科学研究办公室也开始资助激光和微波推进项目。
: b- \$ J6 O  m4 ^) F  　　NASA从20世纪90年代开始对利用激光辅助进行空间推进开展了系统研究。1993年，C.R.phipps提出了利用30kW的地基脉冲激光器清除近地空间垃圾的“ORION”计划、这是烧蚀激光推进的一种特殊形式，它利用激光烧蚀空间垃圾产生的推力改变空间垃圾的运行轨道，使空间垃圾坠人大气层燃烧掉。
  　　1996年，美国空军研究实验室的推进部与NASA的Marshall空间飞行中心合作，联合开展了名为光船技术验证(LTD)的研究项目。该项目的主要目标是设计一种利用激光推进的低成本的空间运输系统。在该项目的资助下，美国Rensselaer工学院的 L. N. Myrabo等人于1997年在美国的白沙导弹试验场使用脉冲能量400J、重复频率25Hz的10kW PLVTS 二氧化碳激光器，以空气作为推进剂，首次 在用线导引飞行器的情况下成功推进了一个被称作“光船”的飞行器模型。图2给出了飞行状态下的“光船”照片。1999年，在不使用线导引的情况下，他们通过给飞行器施加一定的转速，成功地将直径11cm的光船发射到39m的高度。2000年，“光船”飞行器的飞行高度达到了 71m,这是目前公开报导的在自由飞行状态下利用激光推进方式达到的最大高度。
& B4 k# P3 @/ S# w0 E; a; m5 I  　　美国的C. R. Phipps自20世纪90年代中期，一 直致力于研究脉冲激光与物质相互作用产生的冲量耦合系数和比冲，总结出使用不同波长（从紫外到远红外）、不同脉宽（从毫秒到百皮秒）的激光烧蚀一 些材料时能够产生最大冲量耦合系数的最佳激光流 量。2003年，C. R. Phipps利用平均功率5W的二极管脉冲激光器成功研制出基于激光烧蚀原理的可以用于微纳卫星姿态调整的微推进器(μLPT)，如图 3所示（其中黑色的带状物质就是推进剂）。
/ _2 q- B4 O  j  c  　　2000年以来，A. V. Pakhomov等人利用皮秒激光脉冲开展了烧蚀激光推进的研究。研究表明， 使用超短激光脉冲进行烧蚀推进可以实现推进剂的 高方向性喷射。在不同激光流量和入射角条件下，他们研究了多种不同材料(铅、铝、聚甲醛树脂、聚四氟 乙烯等)在烧蚀激光推进中的性能。
  　　2000年，在ISTC-1801计划的支持下，俄罗斯开始对激光脉冲爆轰发动机进行研究,其最终目标是实现利用激光推进光船。
3 K! w, Q. e6 T2 N  　　2002年，俄罗斯的 V.V.Apollonov 和 V.N. Tischenko等人开展了激光推进物理机制的研究。V.V. Apollonov建议使用高功率气动激光器向激光推进器传输超高重复频率的脉冲序列。V.N.Tischenk0根据实验和数值计算提出，由髙重复频率脉冲激光诱导的冲击波序列可以形成接近平面的强冲击波，称为准静态波(QSW),它可以有效地提高冲量耦合系数。
  　　俄罗斯的Yu.A.Rezunkov等人于2005年设计了一个名为"Aerospace laser propulsion engine "(ASLPE) 的激光推进模型，并使用聚甲醛树脂作为推进剂进 行了实验测试。他们利用一个5kW的脉冲C02激 光器(100J，50Hz)推动总重为150g的ASLPE飞行，飞行过程在一个斜线的引导下完成，飞行时间为3s，沿斜 线的飞行距离为7m，高度上升1.5m。当脉冲能量为 50J时，冲量耦合系数可以达到42dyne/W。图4是 ASLPE工作状态下的照片。
  　除美国和俄罗斯以外，日本也是对激光推进研 究比较重视的国家之一。2002年，东京理工学院的T. Yabe等人利用脉冲能量590mJ、脉宽5ns的YAG激 光器成功进行了推进纸飞机的实验。东京理工学 院的研究人员还对激光推进中所用的靶材结构进行了研究。用水覆盖金属靶的表面，制成水炮靶（见图5(a)），在YAG激光器的脉冲激光作用下，水炮靶的冲量耦合系数可达350dyne/W,比纯金属靶获得的冲量耦合系数高得多。通过改进靶的结构，他 们又提出了无金属水炮靶(见图5(b))和水膜炮靶 (见图5(c))。这两种靶在YAG脉冲激光作用下，冲量耦合系数分别达到240dyne/W和368dyne/W。图5给出了这3种靶材的结构。　日本Tohoku大学与韩国首尔大学合作进行了激 光推进的管中加速器的研究。被推进的物体处于封闭的充有某种气体的管子里。一个3g重的飞行器模型在管中依靠TEA CO2激光器产生的脉冲能量5J、 重复频率5Hz的激光电离气体产生的冲击波飞行。 管中分别充进氩气、氪气、氙气进行实验，气压均为 latm,使用氙气时冲量耦合系数超过30dyne/W。
7 B( b5 w+ h/ A' K& {" m  　　欧洲的激光推进研究主要集中在德国宇航中心 (DLR)。从20世纪90年代起，DLR就开始了激光推进的研究。W.L.Bohn等人主要研究利用CO2激光器产生的激光推动尾部带有抛物面聚焦镜的飞行器模型。2000年，Bohn小组采用脉冲CO2激光器 (175J,45Hz)，在线导引的情况下，将一个直径10cm、 质量53g的铝合金抛物面光船推进到6m的高度。 他们还将推进器悬挂在细线上，放置在真空室中测 量在不同气压和不同种类的气体环境下推进器的冲量耦合系数。实验表明，用大气作推进剂，气压低于2×10^4Pa时，冲量耦合系数才会发生明显地下降。 因此，大气呼吸模式的推进在海拔髙度小于11km 时，性能不会受到气压降低的影响。此外，S. Scharring等人利用德国布莱梅微重力中心的落塔， 率先进行了微重力下的激光推进实验。