话说，激光推进技术简介

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http://www.acfun.tv/a/ac492541感谢露露修君下载并分享此资料。

别人的研究

　　激光推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的有望实现飞行器近地轨道发射的新型推进 技。与传统的化学推进相比，激光推进的载荷比更高、推进参数的调节范围更大，并且可以超越每一级化学燃料火箭的速度上。在不远的将来， 激光推进技术有希望在空间垃圾清除、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务中发挥重要的作用。

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。



　　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。


　　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。



　　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）。


　　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。



　　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。


　　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。

我们的研究

　　我国的激光推进研究始于20世纪90年代，华中科技大学分别采用高功率连续波和脉冲CO2激光器研究了激光烧蚀多种材料的机理。1999年，中国 科学院电子所进行了国内首次激光水平推进实验， 他们采用0.9kW的重复频率300Hz的TEA CO2激 光器，将一个直径22mm、质量500mg的圆锥状飞行器模型水平推进了 3m。2000年，中国工程物理研究院的孙承纬从激光维持的爆轰波理论出发，推导出冲量耦合系数与环境气体密度、激光脉宽及激光强度等参数的关系，详细地分析了大气呼吸模式下的空气等离子体点爆炸驱动原理。2002年，装备指挥 技术学院使用重复频率2Hz,脉冲能量30J的TEA CO2激光器完成了单线导引、双线导引和气垫导轨导引的激光水平推进实验，被推进的物体是一个质量为7g的旋转抛物面型飞行器模型。同年，中国科学院物理所张杰的研究组也开始进行激光推进的研究。 2003年，中国科学院电子所与中国科技大学合作，采 用200Hz、20J的TEA CO2激光器竖直推进质量4.6g 的抛物面型飞行器，在大气呼吸模式下，飞行器的高度超过了 lm，冲量耦合系数达到27.7dyne/W。 2004年，南开大学朱晓农的研究组使用单脉冲能量毫焦量级的飞秒激光脉冲推动质量毫克量级的不同材质(铁，玻璃，聚苯乙烯)的小球,获得了近6dyne/W的 冲量耦合系数。


　　从2004年，我国正式立项（国家973项目和国家 自然科学基金项目）支持激光推进的研究，使我国激光推进研究进人了新阶段。


　　2005年，中国科学院电子所通过给飞行器施加 一定转速的方法，解决了自由飞行状态下激光推进 飞行器飞行的稳定性问题，并且成功地将一个质量为4.2g、焦距10mm的抛物面型飞行器用单脉冲能量13J、重复频率50Hz的TEA CO2激光器在大气呼吸模式下推进到2.6m的高度，飞行时间为1.75s。 他们还研究了脉冲重复频率(10~200 Hz)对冲量耦合系数的影响，结果表明较低的脉冲重复频率（10~ 40 Hz）可以获得较大的冲量耦合系数。


　　2005年，中国科学院物理所张杰的研究组利用飞秒激光成丝进行激光推进的实验，在飞行器模型不携带聚焦镜的情况下，推动纸飞机在气垫导轨上完成 了长距离的水平运动(当聚焦透镜焦距为8m时，有效 推进距离达到3.05m，冲量耦合系数超过8.5dyne/W。


　　2006年，他们利用最大能量800mJ、脉宽7ns的激 光脉冲烧蚀铜、铅、铝和石墨靶材，发现获得的动量与气压和靶材有关；实验中，铅靶在1 atm下获得的 动量最大。2008年,他们又利用脉冲能量450mJ、脉宽7ns的激光脉冲烧蚀墨水，获得了 1785.8dyne/W 的冲量耦合系数。


　　同年，中国科学技术大学唐志平研究组使用 YAG激光器产生的脉冲能量1.2 J、脉宽12ns的激 光脉冲烧蚀水，当铝制水槽水深为3 mm时，获得了350dyne/W的冲量耦合系数。次年，该校的程建中等人利用TEA CO2激光器产生的脉冲能量30 J的 激光脉冲烧蚀掺有不同浓度、不同元素以及不同颗粒直径的金属颗粒的PVC靶材。结果表明，掺杂后的PVC靶材的比冲与未掺杂的PVC靶材相比， 在不同功率密度的激光烧蚀下都有显著地提高。


研究些啥？

　　激光推进的研究内容可以分为3个部分：(1)研发满足激光推进要求的高功率激光器；(2)研发激光光束控制系统，使激光光束经过远距离传输之后，仍然具有良好的光束质量，同时实现对飞行器的准确追踪；(3)研究将激光能量转化为飞行器动能的最佳方式。


　　目前，使用氟化氢和氟化氘的化学激光器在 2.5~4μm波长工作时，平均功率可以超过2MW, 比如美国的MIRACL激光器（一台2MW的HF激光器碘氧化学激光器的平均功率也可达兆瓦量级，如美国的波长1.315 μm的YAL 1A Airborne Laser根据 E. W. Davis 和 F. B. Mead 的估计, 使用平均功率MW量级的激光器就可以实现重量在公斤量级飞行器的近地轨道发射。因此，目前激光器的功率，已经有可能用来进行公斤量级的小卫星 (“纳米卫星”)的发射任务；并且完全能够胜任卫星姿态调整、轨道机动等辅助推进任务以及空间垃圾清除任务。此外，最近发展起来的二极管泵浦薄片激光器(Disk laser)和光纤激光器也非常有希望达到激光推进所需的功率水平。此外，将多台低功率的激光器的输出光相干合成，也有可能达到激光推进所需的功率水平。为了使激光推进有更广泛的应用范围，未来必须建造平均功率在GW量级的激光器。而建造这些激光器，从理论上来说，并不存在不可逾越的技术障碍或基本原理上的限制。


　　激光推进不仅对激光功率有要求，而且对入射到飞行器用来激发推进剂的激光的光束质量也有要求。因此，必须对激光光束进行控制。对激光光束质量能够产生影响的因素包括:大气吸收和微粒的散射，传输中的激光加热空气产生的热聚焦效应， 由大气扰动引起的光束的折射和散射，镜片的吸收和散射，以及空气电离和成丝等。目前，可以利用自适应光学系统实现光束波相面的修正，以获得良好的光束质量。此外，V.E.Sherstobitov等人还提出利用相位共轭技术来改善经过远距离传输后的激光光束质量，从而进一步增加激光传输的距离。那些剧烈改变光束性质的现象，如电离和成丝等，则是应当避免出现的。



　　激光推进中，激光传输距离是指从激光器出口到激光焦斑大于飞行器接受面积的距离，这一距离与激光传输所用的光学系统的主镜尺寸、自适应光学系统的补偿能力、飞行器接受激光区域的大小以及激光波长有关。计算表明，在其他因素一定的情况下，波长较短的激光可以实现较长的传输距离。当然，激光在大气中传输时的吸收、散射等光学效应也必须加以考虑，例如，波长太短会增加光束在大气中的非线性散射。因此，应当使用一个适中的波长。



　　激光推进研究的第二个部分还有另一个重要内容：对飞行器的准确追踪。只有实时地对飞行器进行精确的定位，才能将激光能量准确传递给飞行器。近些年卫星激光测距站的发展，不仅实现了对卫星的准确追踪，甚至可以准确追踪空间碎片(垃圾)。目前，激光卫星测距站已经在世界范围内形成网络，比如，NASA的激光测距网络，其对空间碎片位置追踪的精度可达2.5cm,最小可以探测到直径5mm的碎片。因此，在目前卫星测距技术的基础上，不难实现对激光推进的飞行器的追踪。另外，如果可以在现有激光卫星测距站的基础上，对设备进行改造使其适应强光条件，就可以充分利用现有的设备，实现对激光光束的控制，减少激光推进系统的花费。



　　激光推进研究的第3个组成部分，是对激光产生推力的原理研究，包括对推进剂和激光参数的选择，这将最终决定推进器的设计和工作原理(如针对空气推进剂和C02激光器产生的1.06μm的长脉冲激光，已经设计出Lightcraft、ASLPE等一些基本的推进器模型)。激光推进可用的推进剂包括：各种金属,固体聚合物，液体，凝胶，气溶胶和气体等。通过改变固体靶材的表面特性和推进剂中不同组分的浓度，可有效改变推进剂对激光的吸收，从而改变推进系统的性能。对于激光推进使用的激光种类，首先需要在连续激光和脉冲激光之间作出选择，然后还需选择激光的波长，脉宽以及激光流量等参数。当然，对激光的选择将很大程度上受到现有和未来可以获得的高功率激光器的限制。



　　通过以上分析，了解了激光推进研究的3个基本部分，这三部分内容实际上也同时决定了当前和未来激光推进的研究方向。激光推进研究的3个基本组成部分及其相互关系如图6所示。



　　在以上三部分研究内容中，前两个是工程技术层面上的研究工作，根据现阶段相关科学技术发展的水平，其研究目标的实现是可期的。第三部分研究内容则更偏重基础，它决定着激光推进原型机和推进系统的设计，是激光推进前期研究的重点内容。



　　通常，不同激光参数的激光束与不同的推进剂 用时，产生推力的物理过程是不同的，可能涉及的物理过程包括：气化、激光电离产生的冲击波、激光维持的爆轰波、相位爆炸、热弹力波、热扩散，光化学反应等。并且在具有特定参数的激光束与某种推进剂作用时，以上提到的物理过程往往会同时或按照某种顺序依次发生。对不同参数的激光束与不同推进剂作用的物理过程进行系统的研究，测量冲量耦合系数，比冲以及能量转换效率的大小，将形成一个激光与推进剂作用的数据库，可以为特定的激光推进系统选择最合适的激光与推进剂的组合，甚至用不同组分的气体、液体或固体颗粒组成混合推进剂，在维持恒定推力的情况下，平稳地实现高冲量耦合系数、低比冲与低冲量耦合系数、高比冲这两种推进模式之间的转化。


派系间切磋

激光推进的分类和优势



　　按照能量转换方式，激光推进广义上可分为3类：直接推进、间接推进和混合推进，见表1。



　　直接使用光压推进的比冲可达10^7s的量级（比冲=光速/重力加速度),但是这种推进方式产生的推力非常小，比烧蚀激光推进小5个数量级。因此，这是效率极低的电磁能-动能转换方式。这种推进方式的最大优势在于飞行器无速度上限(不能超过光速)„ 间接推进可以分为激光电推进和激光热推进。目前存在3种主要的电推进方式，即电热推进、静电推进和电磁推进。电推进本身能够提供比化学推进更高的比冲，但是它不能胜任大推力的任务。电推进的高比冲使一定量的推进剂能够维持更长的时间，因此适用于飞行器或卫星的姿态控制、轨道维持以及轨道机动等辅助推进任务。电推进目前在卫星推进中已经相当普遍，但其主要通过接收太阳辐照补充电能。发展激光电推进的目的是在需要较大电力，或卫星运行到没有阳光的位置时，可以利用激光束通过光电转换提供电能，这种设计可以大幅降低卫星的重量和体积。



　　激光热推进就是利用激光将气体、液体或固体转化为高温气体或等离子体，利用气体或等离子体高速膨胀离开飞行器时产生的反冲推动飞行器的推进方式。化学推进的一个主要局限是飞行器在每一级火箭推动下的最终速度是有限的，化学推进的每一级的最终速度只能达到10km/S。而在激光热推进方式下，飞行器本身并不携带能源，推进所需的能源来自外部注入，又因为激光热推进方式下的推进剂喷射速度可以大幅超过化学推进喷射物喷射速度的上限，因此，激光热推进能够克服化学推进的飞行器的速度限制。目前，利用高功率二极管脉冲激光器巳经开发出了小型化的激光热推进器，比如微型激光等离子体推进器,见图3。这种设备巳经可以与许多相同尺寸的电推进设备，比如离子、霍尔效应以及场发射推进器进行竞争。


　　混合激光推进就是在激光热推进的基础上使用化学高能推进剂，使得推进过程在激光加热和化学反应的共同作用下完成。典型的化学高能推进剂有三氮烯、HCHO+硝酸铵等。由于涉及到了化学能的释放，因此，推进剂喷射动能可能大于入射的激光能量。



　　在表1中，激光热推进和混合推进才是激光推进的核心内容，体现了 A. Kantrowitz最初对激光推进的定义。在文中的其他部分，激光推进均不包含激光电推进和光帆。


　　按照推进器的工作方式，可以将激光热推进和混合推进进一步分为三类。第一类称为热交换器推进。它源自一种化学火箭的设计，激光束首先被一个热交换器吸收，然后将吸收的热量传递给工作流体，被加热的流体通过喷嘴膨胀出去，从而产生推力。第二类称为烧蚀推进，它利用激光直接烧蚀飞行器携带的推进剂，通过烧蚀产生的高速喷出的推进剂来产生推力。第三类称为大气呼吸模式推进，它利用激光电离空气产生的等离子体爆轰波推动飞行器运动。目前，已有学者建议采用大气呼吸模式和火箭烧蚀模式相结合的方式进行飞行器的推进，从而进一步节约推进剂，提髙载荷比：在高度较低(小于11 km)时采用大气呼吸模式；当高度继续上升时 采用烧蚀模式。不同的推进方式均有其优点和缺点，没有最优的推进方式，只有最合适的推进方式。


　　激光推进相比化学推进有以下优点：(1)载荷比更高；(2)可以突破化学推进飞行器的最大速度限制；(3)能够根据需要，实现比冲和冲量耦合系数的更大范围的调节。


　　目前，化学推进发射的空间飞行器，其推进部分的重量要占到飞行器总重的70%-90%，费用则占到发射费用的40%-60%。由于激光推进的能源来自外部能量注人，本身只需携带用于在大气层之外工作的推进剂(在大气中可以使用空气作为推进剂），因此激光推进与化学进相比具有高得多的载荷比。


　　正如前面所述，化学推进的一个主要局限就是用于推进的每一级火箭的最终速度是有限的，而激光推进可以打破这一限制。


　　根据现有的实验研究，当使用不同参数的激光和 不同的推进剂时，激光推进的冲量耦合系数可以在 1dyne/W到1000dyne/W的范围内变化。由于冲量耦合系数与比冲近似地成反比，因此，比冲也可以 在10~10^4s的范围内变化。这种比冲和冲量耦合系数可在非常大的范围内变动的特点，使人们可以更加方便地为特定的推进任务选择合适的工作窗口。

出处http://d.wanfangdata.com.cn/periodical_hwyjggc201106009.aspx
http://www.acfun.tv/a/ac492541感谢露露修君下载并分享此资料。

别人的研究

　　激光推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的有望实现飞行器近地轨道发射的新型推进 技。与传统的化学推进相比，激光推进的载荷比更高、推进参数的调节范围更大，并且可以超越每一级化学燃料火箭的速度上。在不远的将来， 激光推进技术有希望在空间垃圾清除、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务中发挥重要的作用。

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。



　　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。


　　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。



　　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）。


　　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。



　　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。


　　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。

我们的研究

　　我国的激光推进研究始于20世纪90年代，华中科技大学分别采用高功率连续波和脉冲CO2激光器研究了激光烧蚀多种材料的机理。1999年，中国 科学院电子所进行了国内首次激光水平推进实验， 他们采用0.9kW的重复频率300Hz的TEA CO2激 光器，将一个直径22mm、质量500mg的圆锥状飞行器模型水平推进了 3m。2000年，中国工程物理研究院的孙承纬从激光维持的爆轰波理论出发，推导出冲量耦合系数与环境气体密度、激光脉宽及激光强度等参数的关系，详细地分析了大气呼吸模式下的空气等离子体点爆炸驱动原理。2002年，装备指挥 技术学院使用重复频率2Hz,脉冲能量30J的TEA CO2激光器完成了单线导引、双线导引和气垫导轨导引的激光水平推进实验，被推进的物体是一个质量为7g的旋转抛物面型飞行器模型。同年，中国科学院物理所张杰的研究组也开始进行激光推进的研究。 2003年，中国科学院电子所与中国科技大学合作，采 用200Hz、20J的TEA CO2激光器竖直推进质量4.6g 的抛物面型飞行器，在大气呼吸模式下，飞行器的高度超过了 lm，冲量耦合系数达到27.7dyne/W。 2004年，南开大学朱晓农的研究组使用单脉冲能量毫焦量级的飞秒激光脉冲推动质量毫克量级的不同材质(铁，玻璃，聚苯乙烯)的小球,获得了近6dyne/W的 冲量耦合系数。


　　从2004年，我国正式立项（国家973项目和国家 自然科学基金项目）支持激光推进的研究，使我国激光推进研究进人了新阶段。


　　2005年，中国科学院电子所通过给飞行器施加 一定转速的方法，解决了自由飞行状态下激光推进 飞行器飞行的稳定性问题，并且成功地将一个质量为4.2g、焦距10mm的抛物面型飞行器用单脉冲能量13J、重复频率50Hz的TEA CO2激光器在大气呼吸模式下推进到2.6m的高度，飞行时间为1.75s。 他们还研究了脉冲重复频率(10~200 Hz)对冲量耦合系数的影响，结果表明较低的脉冲重复频率（10~ 40 Hz）可以获得较大的冲量耦合系数。


　　2005年，中国科学院物理所张杰的研究组利用飞秒激光成丝进行激光推进的实验，在飞行器模型不携带聚焦镜的情况下，推动纸飞机在气垫导轨上完成 了长距离的水平运动(当聚焦透镜焦距为8m时，有效 推进距离达到3.05m，冲量耦合系数超过8.5dyne/W。


　　2006年，他们利用最大能量800mJ、脉宽7ns的激 光脉冲烧蚀铜、铅、铝和石墨靶材，发现获得的动量与气压和靶材有关；实验中，铅靶在1 atm下获得的 动量最大。2008年,他们又利用脉冲能量450mJ、脉宽7ns的激光脉冲烧蚀墨水，获得了 1785.8dyne/W 的冲量耦合系数。


　　同年，中国科学技术大学唐志平研究组使用 YAG激光器产生的脉冲能量1.2 J、脉宽12ns的激 光脉冲烧蚀水，当铝制水槽水深为3 mm时，获得了350dyne/W的冲量耦合系数。次年，该校的程建中等人利用TEA CO2激光器产生的脉冲能量30 J的 激光脉冲烧蚀掺有不同浓度、不同元素以及不同颗粒直径的金属颗粒的PVC靶材。结果表明，掺杂后的PVC靶材的比冲与未掺杂的PVC靶材相比， 在不同功率密度的激光烧蚀下都有显著地提高。


研究些啥？

　　激光推进的研究内容可以分为3个部分：(1)研发满足激光推进要求的高功率激光器；(2)研发激光光束控制系统，使激光光束经过远距离传输之后，仍然具有良好的光束质量，同时实现对飞行器的准确追踪；(3)研究将激光能量转化为飞行器动能的最佳方式。


　　目前，使用氟化氢和氟化氘的化学激光器在 2.5~4μm波长工作时，平均功率可以超过2MW, 比如美国的MIRACL激光器（一台2MW的HF激光器碘氧化学激光器的平均功率也可达兆瓦量级，如美国的波长1.315 μm的YAL 1A Airborne Laser根据 E. W. Davis 和 F. B. Mead 的估计, 使用平均功率MW量级的激光器就可以实现重量在公斤量级飞行器的近地轨道发射。因此，目前激光器的功率，已经有可能用来进行公斤量级的小卫星 (“纳米卫星”)的发射任务；并且完全能够胜任卫星姿态调整、轨道机动等辅助推进任务以及空间垃圾清除任务。此外，最近发展起来的二极管泵浦薄片激光器(Disk laser)和光纤激光器也非常有希望达到激光推进所需的功率水平。此外，将多台低功率的激光器的输出光相干合成，也有可能达到激光推进所需的功率水平。为了使激光推进有更广泛的应用范围，未来必须建造平均功率在GW量级的激光器。而建造这些激光器，从理论上来说，并不存在不可逾越的技术障碍或基本原理上的限制。


　　激光推进不仅对激光功率有要求，而且对入射到飞行器用来激发推进剂的激光的光束质量也有要求。因此，必须对激光光束进行控制。对激光光束质量能够产生影响的因素包括:大气吸收和微粒的散射，传输中的激光加热空气产生的热聚焦效应， 由大气扰动引起的光束的折射和散射，镜片的吸收和散射，以及空气电离和成丝等。目前，可以利用自适应光学系统实现光束波相面的修正，以获得良好的光束质量。此外，V.E.Sherstobitov等人还提出利用相位共轭技术来改善经过远距离传输后的激光光束质量，从而进一步增加激光传输的距离。那些剧烈改变光束性质的现象，如电离和成丝等，则是应当避免出现的。



　　激光推进中，激光传输距离是指从激光器出口到激光焦斑大于飞行器接受面积的距离，这一距离与激光传输所用的光学系统的主镜尺寸、自适应光学系统的补偿能力、飞行器接受激光区域的大小以及激光波长有关。计算表明，在其他因素一定的情况下，波长较短的激光可以实现较长的传输距离。当然，激光在大气中传输时的吸收、散射等光学效应也必须加以考虑，例如，波长太短会增加光束在大气中的非线性散射。因此，应当使用一个适中的波长。



　　激光推进研究的第二个部分还有另一个重要内容：对飞行器的准确追踪。只有实时地对飞行器进行精确的定位，才能将激光能量准确传递给飞行器。近些年卫星激光测距站的发展，不仅实现了对卫星的准确追踪，甚至可以准确追踪空间碎片(垃圾)。目前，激光卫星测距站已经在世界范围内形成网络，比如，NASA的激光测距网络，其对空间碎片位置追踪的精度可达2.5cm,最小可以探测到直径5mm的碎片。因此，在目前卫星测距技术的基础上，不难实现对激光推进的飞行器的追踪。另外，如果可以在现有激光卫星测距站的基础上，对设备进行改造使其适应强光条件，就可以充分利用现有的设备，实现对激光光束的控制，减少激光推进系统的花费。



　　激光推进研究的第3个组成部分，是对激光产生推力的原理研究，包括对推进剂和激光参数的选择，这将最终决定推进器的设计和工作原理(如针对空气推进剂和C02激光器产生的1.06μm的长脉冲激光，已经设计出Lightcraft、ASLPE等一些基本的推进器模型)。激光推进可用的推进剂包括：各种金属,固体聚合物，液体，凝胶，气溶胶和气体等。通过改变固体靶材的表面特性和推进剂中不同组分的浓度，可有效改变推进剂对激光的吸收，从而改变推进系统的性能。对于激光推进使用的激光种类，首先需要在连续激光和脉冲激光之间作出选择，然后还需选择激光的波长，脉宽以及激光流量等参数。当然，对激光的选择将很大程度上受到现有和未来可以获得的高功率激光器的限制。



　　通过以上分析，了解了激光推进研究的3个基本部分，这三部分内容实际上也同时决定了当前和未来激光推进的研究方向。激光推进研究的3个基本组成部分及其相互关系如图6所示。



　　在以上三部分研究内容中，前两个是工程技术层面上的研究工作，根据现阶段相关科学技术发展的水平，其研究目标的实现是可期的。第三部分研究内容则更偏重基础，它决定着激光推进原型机和推进系统的设计，是激光推进前期研究的重点内容。



　　通常，不同激光参数的激光束与不同的推进剂 用时，产生推力的物理过程是不同的，可能涉及的物理过程包括：气化、激光电离产生的冲击波、激光维持的爆轰波、相位爆炸、热弹力波、热扩散，光化学反应等。并且在具有特定参数的激光束与某种推进剂作用时，以上提到的物理过程往往会同时或按照某种顺序依次发生。对不同参数的激光束与不同推进剂作用的物理过程进行系统的研究，测量冲量耦合系数，比冲以及能量转换效率的大小，将形成一个激光与推进剂作用的数据库，可以为特定的激光推进系统选择最合适的激光与推进剂的组合，甚至用不同组分的气体、液体或固体颗粒组成混合推进剂，在维持恒定推力的情况下，平稳地实现高冲量耦合系数、低比冲与低冲量耦合系数、高比冲这两种推进模式之间的转化。


派系间切磋

激光推进的分类和优势



　　按照能量转换方式，激光推进广义上可分为3类：直接推进、间接推进和混合推进，见表1。



　　直接使用光压推进的比冲可达10^7s的量级（比冲=光速/重力加速度),但是这种推进方式产生的推力非常小，比烧蚀激光推进小5个数量级。因此，这是效率极低的电磁能-动能转换方式。这种推进方式的最大优势在于飞行器无速度上限(不能超过光速)„ 间接推进可以分为激光电推进和激光热推进。目前存在3种主要的电推进方式，即电热推进、静电推进和电磁推进。电推进本身能够提供比化学推进更高的比冲，但是它不能胜任大推力的任务。电推进的高比冲使一定量的推进剂能够维持更长的时间，因此适用于飞行器或卫星的姿态控制、轨道维持以及轨道机动等辅助推进任务。电推进目前在卫星推进中已经相当普遍，但其主要通过接收太阳辐照补充电能。发展激光电推进的目的是在需要较大电力，或卫星运行到没有阳光的位置时，可以利用激光束通过光电转换提供电能，这种设计可以大幅降低卫星的重量和体积。



　　激光热推进就是利用激光将气体、液体或固体转化为高温气体或等离子体，利用气体或等离子体高速膨胀离开飞行器时产生的反冲推动飞行器的推进方式。化学推进的一个主要局限是飞行器在每一级火箭推动下的最终速度是有限的，化学推进的每一级的最终速度只能达到10km/S。而在激光热推进方式下，飞行器本身并不携带能源，推进所需的能源来自外部注入，又因为激光热推进方式下的推进剂喷射速度可以大幅超过化学推进喷射物喷射速度的上限，因此，激光热推进能够克服化学推进的飞行器的速度限制。目前，利用高功率二极管脉冲激光器巳经开发出了小型化的激光热推进器，比如微型激光等离子体推进器,见图3。这种设备巳经可以与许多相同尺寸的电推进设备，比如离子、霍尔效应以及场发射推进器进行竞争。


　　混合激光推进就是在激光热推进的基础上使用化学高能推进剂，使得推进过程在激光加热和化学反应的共同作用下完成。典型的化学高能推进剂有三氮烯、HCHO+硝酸铵等。由于涉及到了化学能的释放，因此，推进剂喷射动能可能大于入射的激光能量。



　　在表1中，激光热推进和混合推进才是激光推进的核心内容，体现了 A. Kantrowitz最初对激光推进的定义。在文中的其他部分，激光推进均不包含激光电推进和光帆。


　　按照推进器的工作方式，可以将激光热推进和混合推进进一步分为三类。第一类称为热交换器推进。它源自一种化学火箭的设计，激光束首先被一个热交换器吸收，然后将吸收的热量传递给工作流体，被加热的流体通过喷嘴膨胀出去，从而产生推力。第二类称为烧蚀推进，它利用激光直接烧蚀飞行器携带的推进剂，通过烧蚀产生的高速喷出的推进剂来产生推力。第三类称为大气呼吸模式推进，它利用激光电离空气产生的等离子体爆轰波推动飞行器运动。目前，已有学者建议采用大气呼吸模式和火箭烧蚀模式相结合的方式进行飞行器的推进，从而进一步节约推进剂，提髙载荷比：在高度较低(小于11 km)时采用大气呼吸模式；当高度继续上升时 采用烧蚀模式。不同的推进方式均有其优点和缺点，没有最优的推进方式，只有最合适的推进方式。


　　激光推进相比化学推进有以下优点：(1)载荷比更高；(2)可以突破化学推进飞行器的最大速度限制；(3)能够根据需要，实现比冲和冲量耦合系数的更大范围的调节。


　　目前，化学推进发射的空间飞行器，其推进部分的重量要占到飞行器总重的70%-90%，费用则占到发射费用的40%-60%。由于激光推进的能源来自外部能量注人，本身只需携带用于在大气层之外工作的推进剂(在大气中可以使用空气作为推进剂），因此激光推进与化学进相比具有高得多的载荷比。


　　正如前面所述，化学推进的一个主要局限就是用于推进的每一级火箭的最终速度是有限的，而激光推进可以打破这一限制。


　　根据现有的实验研究，当使用不同参数的激光和 不同的推进剂时，激光推进的冲量耦合系数可以在 1dyne/W到1000dyne/W的范围内变化。由于冲量耦合系数与比冲近似地成反比，因此，比冲也可以 在10~10^4s的范围内变化。这种比冲和冲量耦合系数可在非常大的范围内变动的特点，使人们可以更加方便地为特定的推进任务选择合适的工作窗口。