基本介紹
- 中文名：雷射推進
- 外文名：Laser propulsion
發展歷程,歷史背景,近代發展,原理,分類,優勢,特點,套用前景,
發展歷程
歷史背景
將一束光傳送到遠距離處，並將其能量和動量有效利用起來的思想，在雷射還沒有發明之前的遠古時代就出現了。早在公元前214年，Archimede利用平面鏡將太陽光反射並聚焦，從而將羅馬Commander Marcellus艦隊驅逐出Syracuse海峽的故事，就是一個為人們所熟知的例子。無論是真實的故事還是神話傳說，這個例子至少證明了早在2000多年以前，人們就已經對於光束能量或者動量的有效利用問題表現出了濃厚興趣。有關定向能光束利用的文字記載，可以追溯到20世紀的航天科幻題材出版物。俄羅斯航天先驅Fridrikh TsanderKonstantinTsioKovsky和德國Hermann Oberth分別於1923年和1924年，提到了光壓推進的思想，這一思想是帆推進概念的雛形。遺憾的是，直到20世紀30年代，在德國的Oberth和美國的Goddard努力下，火箭技術已經獲得了一定的發展空間，而俄羅斯的相關研究工作則一直不為西方所知。
航天飛行的先驅們不僅認識到了液體和固體燃料火箭推進能夠克服地球引力場的作用，執行到達月球和火星的星際飛行任務，同時他們也認識到了火箭推進無法攜帶充足的燃料以滿足星際飛行任務往返的需要。唯一能夠解決這一難題的辦法，是在一個固定的基地用地磁波束向火箭補充能量。德國學者Eugen Sgnger於1953年提出了光子火箭用於星際飛行任務的概念。由於當時還沒有發明雷射，因此Sanger構想的光子推進，是通過置於一個大型反射鏡焦點位置處的裂變反應堆產生的連續高溫電漿輻射來實現的。人類發明雷射之後，Sgnger在1960年改進了他的光子推進概念，即用核泵浦的固體氣體雷射來產生推進必需的輻射壓力(圖1-5)。2000年，也就是Sanger提出光子推進概念的47年之後，一種用高功率CO2雷射驅動的光帆在美國Wright-Patterson空軍基地通過了測試；同年，位於Braunschweig的德國DLR空間中心也研究並建造了一種大型太陽帆(圖1-6)。
近代發展
1972年，雷射推進概念的提出幾乎與美國高功率雷射器的發展計畫同步。隨著雷射技術的發展，20世紀70年代，各國學者，特別是美國學者在雷射與物質相互作用機理方面開展了大量的研究，也探索了若干種雷射推進模式。到了20世紀70年代末，美國軍方對高能雷射武器不再感興趣，雷射推進需要的高能雷射器進展緩慢；而NASA熱衷於太空梭，對微小衛星發射系統不感興趣；雷射推進因高能雷射器技術限制和小推力發射技術無人問津而進人發展的低潮。
到了20世紀80年代中期，兩個事件再次掀起了雷射推進研究的熱潮。一是在美國“星球大戰”計畫推動下，美國高能雷射器和光束定向器等技術的迅速發展為雷射推進研究奠定了技術基礎；二是太空武器計畫，特別是空基動能武器系統，需要低成本發射技術和能力。
1986年春天，美國舉辦了雷射推進研討會，討論了用大規模的自由電子雷射發射有效載荷直接入軌的可行性。這個研討會促成了美國SDIO(StrategicDefense Initiative Organization)立項支持“雷射推進項目”(Laser Propulsion Program)，但是該項目於1989年草草結束，而且冷戰時期成果發表得很少。這個項目夭折的主要原因：一是從其他項目不能獲得用於雷射推進演示的雷射器，1989年SDIO GBL決定重點支持ks Alamos和Boeing的RF—Linac FEL，而不是LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)的ILFEL，而RF-Linac FEL的性能參數與雷射推進實驗研究需要的雷射器性能參數完全不匹配；二是在短期內沒有途徑獲得大型CO：雷射器用於雷射推進研究，只有美國NASA(National Aeronauticsand Space Administration)和AF(Air Force)給予了適度資助，雷射推進研究又一次進入低潮。
20世紀90年代之前，美國之外的其他國家基本沒有系統深入地研究雷射推進，只有少量的對美國研究進展的跟蹤性報導和綜述性文章。20世紀90年代中期，隨著MEMS(Microelectromechanical System)技術的發展，微小衛星技術發展非常迅速。在這個背景下，再次興起了適合微小衛星低成本發射的雷射推進技術的研究熱潮。
自1996年開始，NASA和AF聯合立項支持開展“光船技術演示項目”(Lightcraft Technology Demonstration)。這一計畫的目標是在“雷射推進項目”取得的成果的基礎上，用縮比試驗模型驗證用高能脈衝雷射將飛行器發射進入近地軌道的可能性，研究利用雷射推進技術降低空間運輸系統的成本。進入21世紀，俄羅斯、日本、德國等國家也都制定了雷射推進研究工作的發展規劃，資助相關領域的學者們開展套用基礎研究和技術攻關。
原理
雷射推進的工作原理主要是指從遠距離地基雷射裝置發出的高能雷射束，經過推進器的拋物面反向鏡聚焦到吸收室(類似於化學火箭發動機的燃燒室)或換熱器上。當聚焦區域的雷射能量密度達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電漿流場噴射而出，其反作用產生推動飛行器前進的推力。略有不同的是．當工質為液體或固體時，在雷射照射下．會發生氣化，噴射而出的是高溫高壓的蒸汽流。
作為一種基於強雷射與工質相互作用原理的新型推進技術，在工作原理、能量轉化方式等方面都不同於現有的化學推進。其中，“兩大分離”是其最主要特點，即太空飛行器與能源、能源與工質間的完全分離。
分類
雷射推進的分類方式很多，按照所用雷射光源的種類，可以分為連續雷射推進、脈衝雷射推進和換熱式雷射推進。按照推進劑可分為吸氣式雷射推進、氣體雷射推進、液體雷射推進和固體雷射推進等。其中，換熱式雷射推進對雷射能量/功率等參數要求不高，連續波和脈衝雷射都可以作為其光源。目前，國內外的研究工作主要集中在脈衝雷射推進領域。
根據是否需要消耗飛行器自身攜帶的工質，學者們習慣將雷射推進分為大氣吸氣模式和火箭模式。現在的提法還不夠統一，也有一些學者將火箭模式稱為燒蝕模式。
所謂大氣吸氣模式，特指在稠密大氣層中，飛行器將環境中的空氣作為工質，而不需要消耗自身攜帶工質的情況。
所謂燒蝕模式雷射推進，是指一束高能雷射(脈衝或者連續)輻照到稠密介質的表面(固體或者液體)，產生蒸氣或者電漿射流，從而產生作用於介質表面的反作用力的推進方式(圖1-2)。燒蝕模式雷射推進的推重比較高，可以達到15N/kg，其推力隨著雷射功率的增加而線性變大，比沖的典型值位於200s～3100s之間。
優勢
對照傳統化學推進的局限，可清晰看出雷射推進的優勢有以下幾點：
成本低，載荷比更高。現有的化學推進火箭，載荷比普遍偏低，推進劑的重量占到火箭總重的70%～90%，而有效運載能力卻只占火箭總重量的5%左右。曾作為人類航天史上推力最大的“土星5號”運載火箭，總起飛質量達到3038 t，但僅推進劑就有2 600多噸，占到了86%。由此可以看出，化學推進的大部分推力其實都用在運輸推進劑上了，而非“有效載荷”。得益於太空飛行器與能源的分離，雷射推進最突出的優點是不需攜帶大量的燃料，飛行器在大氣層中飛行時，只需通過雷射束對空氣加熱。穿越大氣層後，少量工質即可工作，這樣就可以把運載工具的有效載荷提高到15%以上，發射費用降低一至兩個數量級。
安全可靠、發射周期短。通常，提供能量的雷射裝置固定在地面上，飛行器不必像現在的化學推進火箭，需攜帶易燃易爆、甚至有毒的推進劑，因此這種發射方式相對安全許多。與此同時，由於沒有了傳統複雜的能量發生子系統相關的部件，推進系統的設計可以得到相當程度的簡化，相應地減少了發射的中間環節，縮短了發射前檢測周期，有利於應急發射。
可以突破單級化學推進火箭的速度上限。雖然化學推進火箭推力較大，但受到推進劑燃燒和推力室結構的限制，燃燒溫度不能太高，燃燒室壓力不能過大，單級化學推進火箭推動下的最終速度是有限的。根據齊奧爾科夫斯基公式，化學推進的每一級火箭的最大速度只能達到10 km/s。而在雷射束的照射下，高溫電漿的核心溫度可達10 000～20 000 K，其噴射速度可以輕鬆超過化學推進劑燃燒時的噴射速度．因此，雷射推進具有突破單級化學推進最高速度限制的潛力。
推力調節範圍大、控制精度高。根據現有的實驗研究，當使用不同能量級的雷射和不同的推進劑時，雷射推進器的推力可在非常大的範圍內變動。因此，通過對地雷射束能量的調節，便可以更加方便地改變推力大小，滿足不同發射任務的要求和太空飛行器的姿態調整等。
特點
雷射推進的主要特點如下：
(1)飛行器與能源的分離。飛行器僅攜帶工質，產生動力的能量來源於激 光器（一般部署在地面），通過遠距離傳輸雷射能量進行能源的補給，不必攜帶 龐大笨重的能源系統。
(2)能源與工質的分離。可以選用安全的工質，即比沖較高和分子量小的 “輕型”工質，不必攜帶易燃易爆甚至有毒的推進劑。
雷射推進由於上述兩個分離，帶來了推進技術的革命，其主要特點是：比沖 大、成本低;機動性好、可靠性高;遠距離傳輸能量，在軌機動能力強；發射周期 短、批量發射能力強。
套用前景
雷射推進主要套用前景如下：
(1)單級發射微小衛星。根據齊奧爾科夫斯基公式,傳統化學火箭推進系 統比沖在200s ~500s範圍，無法實現單級入軌。雷射推進系統比沖可達2000s， 其至更高，可實現單級入軌。
(2)在軌衛星的姿/軌控。對微小衛星編隊飛行的姿態和軌道精確控制，要 求最小衝量單位為10-6N· s～10-4N · s 量級，雷射微推力器可提供毫牛·秒到 微牛·秒，甚至更小量級的最小衝量。
(3)臨近空間飛行器的動力。地基雷射能源系統，通過遠距離傳輸雷射能 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雷射擊 穿空氣產生高溫高壓擾動區，並形成空氣錐，從而達到減阻的目的。
(5)空間碎片清除。採用雷射推進技術可實現地基雷射清除空間碎片或天 基雷射清除空間碎片。
