背景知識

激光推進(jìn)是利用遠(yuǎn)距離高能激光加熱工質(zhì)，使得工質(zhì)氣體熱膨脹或者產(chǎn)生電流間接產(chǎn)生推力，推動飛行器前進(jìn)的新概念推進(jìn)技術(shù)。驅(qū)動的飛行器有火箭、無人飛機(jī)等。激光推進(jìn)是推動飛行器前進(jìn)的新概念推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高、有效載荷比大、發(fā)射成本低等優(yōu)點，可廣泛用于微小衛(wèi)星近地軌道發(fā)射、地球軌道碎片清除、微小衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制等領(lǐng)域。激光推進(jìn)的工作原理主要是指從遠(yuǎn)距離地基激光裝置發(fā)出的高能激光束，經(jīng)過推進(jìn)器的拋物面反向鏡聚焦到吸收室(類似于化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室)或換熱器上。當(dāng)聚焦區(qū)域的激光能量密度達(dá)到或超過氣體的擊穿閾值時，吸收室里的空氣便會形成高溫高壓的等離子體流場噴射而出，其反作用產(chǎn)生推動飛行器前進(jìn)的推力。略有不同的是．當(dāng)工質(zhì)為液體或固體時，在激光照射下．會發(fā)生氣化，噴射而出的是高溫高壓的蒸汽流。激光推進(jìn)的主要特點如下：(1)飛行器與能源的分離。飛行器僅攜帶工質(zhì)，產(chǎn)生動力的能量來源于激 光器（一般部署在地面），通過遠(yuǎn)距離傳輸激光能量進(jìn)行能源的補(bǔ)給，不必攜帶 龐大笨重的能源系統(tǒng)。(2)能源與工質(zhì)的分離?？梢赃x用安全的工質(zhì)，即比沖較高和分子量小的 “輕型”工質(zhì)，不必攜帶易燃易爆甚至有毒的推進(jìn)劑。激光推進(jìn)由于上述兩個分離，帶來了推進(jìn)技術(shù)的革命，其主要特點是：比沖 大、成本低;機(jī)動性好、可靠性高;遠(yuǎn)距離傳輸能量，在軌機(jī)動能力強(qiáng)；發(fā)射周期 短、批量發(fā)射能力強(qiáng)。應(yīng)用前景激光推進(jìn)主要應(yīng)用前景如下：(1)單級發(fā)射微小衛(wèi)星。根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式,傳統(tǒng)化學(xué)火箭推進(jìn)系 統(tǒng)比沖在200s ~500s范圍，無法實現(xiàn)單級入軌。激光推進(jìn)系統(tǒng)比沖可達(dá)2000s， 其至更高，可實現(xiàn)單級入軌。(2)在軌衛(wèi)星的姿/軌控。對微小衛(wèi)星編隊飛行的姿態(tài)和軌道精確控制，要 求最小沖量單位為10-6N· s～10-4N · s 量級，激光微推力器可提供毫?！っ氲?微牛·秒，甚至更小量級的最小沖量。(3)臨近空間飛行器的動力。地基激光能源系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)距離傳輸激光能 量，為臨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前方用高功率激光擊 穿空氣產(chǎn)生高溫高壓擾動區(qū)，并形成空氣錐，從而達(dá)到減阻的目的。(5)空間碎片清除。采用激光推進(jìn)技術(shù)可實現(xiàn)地基激光清除空間碎片或天 基激光清除空間碎片。

二

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（1）國外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代中期以來,美國就開始研究激光與固體靶之間的動量和能量轉(zhuǎn)換。1972年,美國的Kantoriwtz首先提出了激光推進(jìn)的概念:利用從地面遠(yuǎn)距離傳輸供給的激光加熱火箭發(fā)動機(jī)中的推進(jìn)劑,使其溫度急劇上升,形成高溫高壓氣體或等離子體,然后從飛行器尾部噴管噴射出去產(chǎn)生反推力。激光推進(jìn)無需傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)中的大質(zhì)量分子氧化劑,而且燃燒溫度能大大提高,可產(chǎn)生很大的比沖。他在假設(shè)能量完全轉(zhuǎn)化的理想情況下,計算出將質(zhì)量為IT的有效載荷發(fā)射到近地軌道所需的激光功率為40MW。20世紀(jì)70年代美國航空航天局(NASA)和美國空軍武器研究室等單位開始系統(tǒng)研究等離子體的膨脹過程、激光推進(jìn)系統(tǒng)的推力、比沖和能量藕合系數(shù)等特性,獲得了5005的比沖和10~lodyr“W的能量禍合系數(shù)。20世紀(jì)80年代以來,實驗研究主要集中在:通過改變激光參數(shù)(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輸和能量藕合系數(shù),使激光推進(jìn)理論更加完美,明確肯定了激光推進(jìn)能對推力、比沖和推進(jìn)劑進(jìn)行獨立控制;能源可從遠(yuǎn)處傳輸給飛行器;可獲得比化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)更高的比沖等優(yōu)點,展示了動力傳輸、軌道一軌道推進(jìn)、地基一軌道推進(jìn)、遙感和通信以及軍事上的反衛(wèi)星與衛(wèi)星防御等領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。1989年美國戰(zhàn)略防御倡議組織已投資數(shù)百萬美元進(jìn)行一項試驗性計劃,開始研究采用地基曰軌道激光推進(jìn)方式將小的實驗性有效負(fù)載送人軌道?？哲姺屏ζ諏嶒炇疫M(jìn)行了一系列地基一軌道激光推進(jìn)可行性的演示實驗研究,所用激光功率為30kw一IMW,輕質(zhì)飛行器的直徑為20.c3m。1996年,美國空軍研究實驗室的推進(jìn)部與NASA的Masrhal空間飛行中心合作,聯(lián)合承擔(dān)了名為UghtcraftTechnolo-gyDemosntrator的項目研究和實驗論證,主要目的是設(shè)計一種利用激光推進(jìn)的低成本的空間傳輸系統(tǒng),并于1997年在白沙導(dǎo)彈基地首次成功試驗了線導(dǎo)的激光推進(jìn)實驗,解決了飛行穩(wěn)定性問題,其意義正如Wirght兄弟第一次實驗飛機(jī)一樣。在10kw、脈寬18ms的二氧化碳脈沖激光的推動下,碟狀盤飛行器上升了0.3m。1998年,倫塞勒工學(xué)院的Myrabo和AFPL合作在美國白沙導(dǎo)彈基地用10kw脈沖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(用激光定位和跟蹤系統(tǒng)控制),水平滑行121.3m。隨后,又用10kw脈沖二氧化碳激光器(450J,20Hz)把一個直徑約13.5cm、質(zhì)量約42.5g的6061一T6型鋁質(zhì)試驗?zāi)Ｐ驮?s內(nèi)送上了大約22.86m的高空。1999年7月9日,Myrabo等將直徑為11cm的光船發(fā)射到39m的垂直高度。2000年10月,LTI將直徑為12.2cm、重50g的光船發(fā)射到l7m的高空,光船飛行12.7s。這是迄今為止飛行時間最長、高度最高及飛船重量最重的記錄。限制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(jīng)資助開發(fā)優(yōu)良的脈沖放電二氧化碳激光器,在其功率達(dá)到100kw時可以將光船發(fā)射到太空邊緣。LTI計劃將Ikg以下的小衛(wèi)星用IMW、IkJ、1000Hz的地基脈沖二氧化碳激光器發(fā)射到近地軌道,短時間內(nèi)與NASA合作再創(chuàng)推進(jìn)高度304.8m的新記錄;并預(yù)測激光發(fā)射技術(shù)一旦獲得廣泛應(yīng)用,將使得發(fā)射費用降低2個量級左右,將一個Ikg微小衛(wèi)星推進(jìn)到近地軌道僅需幾百美元,遠(yuǎn)低于用航天飛機(jī)發(fā)射所需的10000$/kg的費用,可反復(fù)使用且可靠性高。其潛在商業(yè)應(yīng)用至少包括:1)未來大型衛(wèi)星的小關(guān)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制;4)全球定位系統(tǒng);5)太空望遠(yuǎn)鏡;6)安全遠(yuǎn)程通信;國際空間站中電子產(chǎn)品更輕的取代品;8)危險探測和跟蹤。德國空間中心從20世紀(jì)90年代起也開始了激光推進(jìn)的實驗研究。2000年4月DLR技術(shù)物理研究所的Bohn小組報道了采用脈沖二氧化碳激光器(200J,45Hz)推進(jìn)直徑10cm,重55g的鋁合金拋物面光船線導(dǎo)飛行8m高的研究成果,并提出了采用400kw脈沖二氧化碳激光器將10kg的飛行器發(fā)射到近地軌道的設(shè)計要求。前蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代就開始研究激光輻射與各種靶材作用所產(chǎn)生的等離子體。1976年提出“激光空氣噴氣發(fā)動機(jī)”概念。1978年報道了在大氣條件下的激光推進(jìn),利用脈沖二氧化碳激光的空氣光學(xué)擊穿所產(chǎn)生的沖擊波能量獲得50dyn/W的能量耦合系數(shù)。1984年報道了利用高功率密度（10^8~10^9W/cm^2）的Q開關(guān)銣玻璃激光研究激光噴管中的等離子體的磁場問題。1990年報道了前蘇聯(lián)研制的激光推進(jìn)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(qiáng)激光束與大氣的相互作用,以及線性和非線性自適應(yīng)光學(xué)元件。RILP和RICTOD發(fā)展了一系列數(shù)值計算方法來模擬激光束與激光誘導(dǎo)大氣等離子體之間的相互作用。1999年RICTOD在200m高度用重復(fù)率脈沖二氧化碳激光器實驗驗證了理論計算結(jié)果。2000年俄羅斯報道了大氣環(huán)境中有關(guān)大氣現(xiàn)象對激光推進(jìn)能力的影響,以及采用激光推進(jìn)來對小球進(jìn)行加速的研究結(jié)果,展示了脈沖調(diào)制的二氧化碳激光器用于激光推進(jìn)的美好前景。俄羅斯還制定了為期三年的ISTC一1801計劃,分3階段進(jìn)行:第一階段以推力產(chǎn)生的爆炸機(jī)制為基礎(chǔ),對LPDE產(chǎn)生推力的過程進(jìn)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(jī)模擬和實驗;第三階段在大氣中利用LPDE進(jìn)行輕飛行器的線導(dǎo)飛行實驗,欲達(dá)到40一50m的高度。日本1990年也報道了研制成功激光推進(jìn)實驗裝置。2002年6月,東京工業(yè)大學(xué)的Yabe等人利用590mJ、5ns的YAG激光器推進(jìn)紙飛機(jī),該研究有望用于觀察氣候變化和火山爆發(fā)。目前,Yabe小組正在研究用激光推進(jìn)100g的飛機(jī)及用激光驅(qū)動機(jī)器人在核反應(yīng)堆事故時工作。

正是由于激光推進(jìn)在這方面有著巨大的潛在優(yōu)勢,美國、德國和俄羅斯等發(fā)達(dá)國家在激光推進(jìn)領(lǐng)域一直進(jìn)行著堅持不懈的努力,許多基礎(chǔ)問題和技術(shù)難題不斷被攻克,展示了激光推進(jìn)的誘人前景l(fā)0I]。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(jìn)發(fā)射到9.6km以外的大氣層邊緣,速度達(dá)到5馬赫。新墨西哥大學(xué)和空軍科學(xué)研究室聯(lián)合報道了利用微型激光等離子體推動小型衛(wèi)星的研究成果。

除了在利用地基激光發(fā)射小衛(wèi)星方面不斷取得進(jìn)展外,在軌道推進(jìn)和空間碎片清除方面國外也表示出極大的關(guān)注。1999年在日本大阪大學(xué)激光技術(shù)研究所召開的“現(xiàn)代高功率激光器及其應(yīng)用”國際研討會上,詳細(xì)報道了激光在宇宙應(yīng)用方面的研究進(jìn)展:如美國采用高功率脈沖激光從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(shù)改變太空物體軌道的太空激光研究計劃,使太空搬運(yùn)物體的代價降低25倍。而2002年7月召開的“大功率激光剝IV”會議上,專設(shè)了“激光推進(jìn)與微推進(jìn)”專題,專門討論了到2005年將Ikg重的物體發(fā)射到50km高空的問題。2002年11月,在美國舉行的“第一次束能推進(jìn)國際會議”上,激光推進(jìn)仍是重點討論的問題。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末,華中科技大學(xué)激光技術(shù)國家重點實驗室首次在國內(nèi)提出開展激光推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)研究的項目申請,并得到了原國防科工委的批準(zhǔn),作為國防基礎(chǔ)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(xiàn)已結(jié)題,并取得一些基礎(chǔ)研究成果。

1）建立了激光推進(jìn)參數(shù)測量的實驗裝置及其實驗方法,研究了激光推進(jìn)的推力、比推力、能量藕合系數(shù)等參數(shù)與激光參數(shù)（波長、功率、脈寬等）及使用材料性質(zhì)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)激光能量越大、脈寬越窄、光斑尺寸越小,所產(chǎn)生的激光推進(jìn)效果就越好。因此,要得到好的激光推進(jìn)效果,就必須提高人射激光功率密度。

2）將單脈沖能量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(huán)氧樹脂板上,獲得單脈沖激光推力0.5N、比推力120s、能量耦合系數(shù)、功率轉(zhuǎn)換率4.99%的實驗結(jié)果。

3）利用萬瓦二氧化碳激光束進(jìn)行了大氣遠(yuǎn)距離傳輸及與物質(zhì)相互作用實驗,獲得使玻璃靶料在強(qiáng)激光作用下碎裂并飛出十幾厘米的實驗結(jié)果。

2000年以來,裝備指揮技術(shù)學(xué)院在激光技術(shù)國家重點實驗室基金及裝備指揮技術(shù)學(xué)院科研基金資助下,開始了光船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及激光推進(jìn)機(jī)理研究。目前在激光推進(jìn)機(jī)理研究、激光維持爆轟波傳播過程的流體動力學(xué)數(shù)值模擬、激光束經(jīng)光船內(nèi)表面的聚焦性能研究、光船設(shè)計和加工、光船以吸氣模式進(jìn)行推進(jìn)的實驗方案設(shè)計取得了階段性成果。 2001年,中國科技大學(xué)用釹玻璃固體激光器(單脈沖激光能量為20J、波長1.06微米、脈沖寬度2.5ns)研究了燒蝕激光推進(jìn)機(jī)理,首輪實驗參數(shù)為:彈丸質(zhì)量5.87g,彈丸速度5.38m/s,升高1.48m。

（3）國內(nèi)外主要差距

自激光器發(fā)明以來，人們就一直期望利用激光方向性好，亮度高，衍射損失小和傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點，用來取代火箭發(fā)動機(jī)化學(xué)推進(jìn)等傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)，以提高火箭發(fā)動機(jī)的比推力。為此，美國，德國和俄羅斯等發(fā)達(dá)國家在激光技術(shù)領(lǐng)域一直持續(xù)進(jìn)行著有計劃地系統(tǒng)的研究。激光推進(jìn)概念提出以來，有關(guān)激光推進(jìn)機(jī)理實驗研究我國與國外幾乎同步。但自1987年以來，國外在激光推進(jìn)領(lǐng)域的研究一直沒有停止，而我國在這方面的研究 則中斷了十幾年。國外在發(fā)展激光推進(jìn)領(lǐng)域方面已提出了切實可行的長遠(yuǎn)規(guī)劃，并初步形成較完善的理論體系，取得了一系列實驗研究成果，如美國NASA和俄羅斯的ISTC-1801計劃。而我國有關(guān)基礎(chǔ)研究還沒有形成長遠(yuǎn)的研究規(guī)劃，較深入的研究工作近幾年才剛剛起步。

我國與國外在激光推進(jìn)研究領(lǐng)域存在著至少十年的差距。美國將激光發(fā)射小衛(wèi)星與當(dāng)年采用液體燃料推進(jìn)火箭放在同等重要的位置上。面對這樣的國際形勢，對我國深入系統(tǒng)地開展這方面的研究具有重大的戰(zhàn)略意義。

三

未來發(fā)展趨勢

研究重點有以下幾個方面：（1）集中國內(nèi)在該領(lǐng)域有優(yōu)勢的單位，系統(tǒng)開展相關(guān)研究，如高功率，高能量及高重復(fù)率的激光器研究，強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用，強(qiáng)激光大氣傳播和光電控制技術(shù)等（2）有步驟地制定長遠(yuǎn)規(guī)劃重點加大研究投資力度攻克有關(guān)激光推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)。（3）從應(yīng)用角度上看，應(yīng)以具有巨大市場和戰(zhàn)略意義的微小衛(wèi)星激光發(fā)射為突破口，力爭通過2~3個五年計劃，將千克級的微小衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道。

四

感想與建議

在激光推進(jìn)飛行器領(lǐng)域，中國與國外的差距依舊十分明顯。其實在我看來，激光推進(jìn)飛行器還是要在激光的功率上下功夫?；蛟S我們能夠改進(jìn)發(fā)出激光的方式，甚至不用激光，用其他的更有效的東西，如果能達(dá)到更好的效果就行了。我覺得，應(yīng)該多進(jìn)行在太空中的實際性的研究，令其更好地去適應(yīng)太空環(huán)境。相信只要我們每一位科研人員敢于打破權(quán)威，敢于挑戰(zhàn)認(rèn)知，積極創(chuàng)新，不斷改正，緊抓國家發(fā)展機(jī)遇，就一定可以迎頭趕上發(fā)達(dá)國家甚至超越。