雷射推進及其套用國家重點實驗室

中國首個雷射推進及其套用國家重點實驗室2012年12月7日在解放軍裝備學院掛牌成立。實驗室的成立將有力推動中國空天飛行推進新技術基礎理論研究、前沿技術創新和科研成果推廣，為中國空天飛行推進新技術的創新發展提供重要保障。

基本介紹

• 中文名：雷射推進及其套用國家重點實驗室
• 地區：中國
• 時間：2012年12月7日
• 目的：推動中國空天飛行

實驗室概述

雷射推進及其套用國家重點實驗室的依託單位為裝備學院和中國航天科工集團三院三十一研究所。2001年以來，實驗室的前身“雷射推進技術實驗室”開始從事雷射推進相關技術研究，逐步形成了雷射推進套用基礎、等離子體流動控制與推進技術、推進流場測試和診斷技術三個研究方向，在國際上率先提出了雷射推進能量轉化的重大機理，並實現了部分研究成果的轉化套用。實驗室組建和培養了由中國科學院院士、科技領軍人才和中青年技術專家組成的科技創新團隊。近年來，團隊獲國家和軍隊科技進步獎15項，其中國家科技進步一等獎1項，國家科技進步二等獎1項，國防科學技術二等獎3項，軍隊科技進步一等獎1項，獲國家發明專利20項，100餘篇論文被SCI、EI和ISTP三大國際權威檢索工具收錄。

雷射推進及其套用國家重點實驗室由科技部批准立項建設，是我國首個雷射與航空航天交叉領域的實驗室。

雷射推進

不再依賴化學火箭

雷射推進是利用遠距離高能雷射加熱氣體工質，使氣體熱膨脹產生推力，推動飛行器前進的新概念推進技術，具有比沖高、有效載荷比大、發射成本低等優點，可成為新時期空間推進體系中低成本、高可靠、快速機動進入空間動力技術的備選方案。可廣泛用於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制等，當套用於近地軌道發射時，可使發射成本降低到每千克幾百美元，遠低於目前化學火箭每千克上萬美元的成本，因而受到各國廣泛關注。

20多年前，美國開始研製代號為“星球大戰”的飛彈防禦系統。該系統旨在追蹤其他國家發射的飛彈，並使用雷射器將其擊落。雖然這個系統是為戰爭而設計，但研究人員發現這些高功率雷射器還有眾多其他用途。有朝一日雷射器會用於將宇宙飛船推向軌道和其他星球。

雷射推進光船的早期模型

人類目前使用太空梭飛向太空，而太空梭要發射升空，除了要裝好幾噸燃料外，還必須綁兩個巨大的火箭助推器。雷射器可供工程師研製出無需裝載能源的輕型宇宙飛船。光船本身可充當引擎，而燃料則是光。

雷射推進火箭聽上去就像科幻小說里的宇宙飛船——乘著雷射束進入太空，它只需少量或無需裝載推進劑，而且還無污染。這似乎不可思議，因為人類尚未研製出任何與之相近的設備可用於地球上常規的地面或空中旅行。儘管實現這一目標可能還需要15-30年，但建造光船的原理已經成功實驗了多次。一家名為光動力飛行器技術公司（Lightcraft Technologies）的公司在繼續改進始於倫斯勒理工學院（位於紐約特洛伊市）的研究。

光船的基本原理

光船的基本原理非常簡單——橡子形飛行器利用鏡子接收並聚焦入射雷射束，以加熱空氣並使之爆炸，從而推進飛行器。下面列出了這種革命性推進系統的基本組件：

二氧化碳雷射器——光動力飛行器技術公司使用脈衝雷射損傷測試系統 (PLVTS)，這是星球大戰防禦計畫的產物。試驗光船目前使用10千瓦的脈衝雷射器，也是全世界功率最大的雷射器之一。

拋物柱面鏡——宇宙飛船的底部是一面鏡子，可將雷射束聚焦至引擎進氣口或機載推進劑。還有一面看似望遠鏡的鏡子充當次級陸基發射機，用於將雷射束引導至光船上。

吸收室——將進氣引入吸收室，並由雷射束加熱膨脹，從而推動光船。

機載氫——當大氣過於稀薄，無法提供足夠的空氣時，需要少量氫推進劑提供火箭推力。

光船發射前會噴射一股壓縮空氣，這些空氣將使其以大約10,000轉/分（rpm）的速度旋轉。當雷射器發射脈衝時，會不斷加熱空氣直至燃燒。空氣燃燒會產生閃光。

這種旋轉對陀螺式穩定飛行器非常必要。以美式橄欖球為例：為了更精準地傳球，四分衛會在踢球時加以旋轉。將旋轉施加給這種極輕的飛行器，就能讓其更穩定地穿過空氣。

一旦光船以最佳速度旋轉，雷射器就會打開，從而將光船推向空中。10千瓦雷射器發射脈衝的頻率是25-28次/秒。通過發射脈衝，雷射器會繼續向上推動飛行器。光束由飛行器底部的拋物柱面鏡聚焦，並將空氣加熱到9982-29982℃，比太陽表面的溫度還要高好幾倍。空氣在高溫下會轉化為等離子狀態，然後等離子發生爆炸並向上推進飛行器。

這種雷射光船也可以使用鏡子，將其安裝在光船內，投射飛船前方的光束能量。雷射束髮出的熱量會形成空氣釘，使飛船四周的空氣轉向，從而既能減小阻力，又能減少光船吸收的熱量。

用雷射驅動飛機

2009年8月，據美國太空網報導，美國科學家正在進行一系列的雷射推進實驗，有望引發一場利用雷射作為推進動力的飛行器革命。藉助於雷射推進客機，乘客從地球一端到另一端所需要的時間只有不到一小時。

這項利用高能雷射的基礎研究性實驗正在巴西進行，在這個實驗室力，一個極超音速震波風洞與兩個脈衝紅外雷射器相連，峰值功率可達到十億瓦特。米拉伯說，這是迄今為止進行的功率最高的雷射推進實驗。

在巴西進行的實驗

他指出：“在實驗室內，我們對全尺寸的雷射發動機進行測試，使用這種發動機的飛行器將讓造訪太空的方式發生革命性變化。這是真實存在的硬體。這是真實存在的物理學。我們能夠獲得真實數據，絕不是在紙上談兵。迄今為止，我們已獲得大量數據。點燃發動機時你會發現，它真的是一個不可思議的傢伙。它發出的聲音就像是有人在實驗室內用獵槍射擊，聲音真的是太大了。”

米拉伯表示，雷射推進實驗也同樣與發射納米衛星(重量在1至10公斤)和微型衛星(重量在10至100公斤)進入低地球軌道聯繫起來。打造和放飛米拉伯的“雷射高速公路”是一個系統工程，一直有條不紊地進行。1996年至1999年，他在新墨西哥州的白沙飛彈發射場，利用10千瓦的高能紅外雷射發射了光動力飛行器原型。2000年，他又創造了一項新的雷射推進飛行器飛行高度世界紀錄，實驗把一個直徑12.2厘米、重量50克的小型光船送達了71米的高度。

米拉伯指出，幾十年來，研究雷射推進的物理學家一心要實現這樣一個目標，那就是將每瓦特雷射能的成本控制在幾美元。他說：“我們已經逼近這一目標。這是我們的願望，我們願意為之付出努力和汗水。這項技術在商業上成為現實的一天很快就要到來。”

雷射驅動飛行器概念圖