御光飞天终有时 美国航天飞船未来或靠激光推进

御光飞天终有时 美国航天飞船未来或靠激光推进

2013年03月13日 　来源：解放军报　










　　当科学遇上想象
　　雨果曾说过：“科学到了最后阶段，便遇上了想象。”
　　早在1953年，德国空间技术的先驱曾格尔就预言了使用光进行空间推进的可能性。后来，美国研究者在“低成本进入空间”研究任务中，也给出了激光推进单级入轨发射的概念。该飞行器可以“乘着”激光束，“呼吸着”空气上升到30 千米高度。这是科幻还是科学？激光真的可以产生动力嘛？
　　近几年，科学家们通过实验证明，激光除了用于被我们所熟知的医疗、材料加工以及高能武器等领域外，还可以作为一种新型的推进技术，用于微型卫星发射、飞行器姿态的调整等。
　　那么，激光究竟是如何产生推力，进而推动飞行器运动的呢？
　　通俗而言，激光推进的基本原理如“透镜取火”。众所周知，普通的日光可以在凸透镜的聚焦下，产生较高的温度，点燃易燃物。与此类似，当高能激光经过透镜聚焦于空气时，一旦温度达到或超过其发生变化的阈值，便会发生电离，形成高温的等离子体并迅速膨胀，喷射而出，产生推力，犹如“御光飞天”一般。
　　具体来说，激光推进的工作原理主要是指，从远距离地基激光装置发出的高能激光束，经过推进器的抛物面反向镜聚焦到吸收室(类似于化学火箭发动机的燃烧室)或换热器上，当聚焦区域的激光能量密度达到或超过气体的击穿阈值时，吸收室里的空气便会形成高温高压的等离子体流场喷射而出，其反作用产生推动飞行器前进的推力。略有不同的是，当工质为液体或固体时，在激光照射下，会发生气化，喷射而出的是高温高压的蒸汽羽流。
　　分离出来的优势
　　作为一种基于强激光与工质相互作用原理的新型推进技术，在工作原理、能量转化方式等方面都不同于现有的化学推进。其中，“两大分离”是其最主要特点，即：航天器与能源、能源与工质间的完全分离。
　　如此，我们不仅要问，这种分离技术上的变革会带来哪些优势？
　　对照传统化学推进的局限，可清晰看出激光推进的优势所在——
　　一是成本低，载荷比更高。目前，现有的化学推进火箭，载荷比普遍偏低，推进剂的重量占到火箭总重的70%-90%，而有效运载能力却只占火箭总重量的5%左右。曾作为人类航天史上推力最大的“土星5号”运载火箭，总起飞重量达到3038吨，但其中仅推进剂就有2600多吨，占到了86%。
　　由此，我们不难看出，化学推进的大部分推力其实都用在运输推进剂上了，而非“有效载荷”。
　　得益于航天器与能源的分离，激光推进最突出的优点是不需携带大量的燃料，飞行器在大气层中飞行时，只需通过激光束对空气加热。穿越大气层后，少量工质即可工作，这样就可以把运载工具的有效载荷提高到15%以上，发射费用降低一至两个数量级。
　　二是安全可靠、发射周期短。通常，提供能量的激光装置固定在地面上，飞行器不必像现在的化学推进火箭，需携带易燃易爆、甚至有毒的推进剂，因此，这种发射方式相对安全许多。
　　与此同时，由于没有了传统复杂的能量发生子系统相关的部件，推进系统的设计可以得到相当程度的简化，相应地减少了发射的中间环节，缩短了发射前检测周期，有利于应急发射。
　　三是可以突破单级化学推进火箭的速度上限。虽然化学推进火箭推力较大，但受到推进剂燃烧和推力室结构的限制，燃烧温度不能太高，燃烧室压力不能过大，单级化学推进火箭推动下的最终速度是有限的。根据齐奥尔科夫斯基公式，化学推进的每一级火箭的最大速度只能达到10千米/秒。而在激光束的照射下，高温等离子体的核心温度可达10000-20000开氏度，其喷射速度可以轻松超过化学推进剂燃烧时的喷射速度，因此，激光推进具有突破单级化学推进最高速度限制的潜力。
　　四是推力调节范围大、控制精度高。根据现有的实验研究，当使用不同能量级的激光和不同的推进剂时，激光推进器的推力可在非常大的范围内变动。因此，通过对地激光束能量的调节，便可以更加方便地改变推力大小，满足不同发射任务的要求和航天器的姿态调整等。
　　御光飞天终有时
　　战争是科技发展的催化剂，谁洞悉了科技发展演变的规律，谁就能赶超科技发展的脚步。目前，各国已普遍意识到激光推进在未来航天发射领域所具有的革命性作用，纷纷加大了对相关技术的研发力度。
　　据外媒披露，美、俄、日等国已把激光推进作为发展未来运载工具优先考虑的目标，提出并试验制造了激光光船。
　　迄今为止，公开报道的激光推进飞行器上升的最大高度是由伦斯勒理工学院创造的，在美国空军的资助下，他们成功的将“光船”飞行器发射到了71米。目前，我国首个激光推进及其应用国家重点实验室也已于2012年成立，迈出了探索新型高效航天推进技术研究的坚实步伐。
　　据科学家预测，如果新一代大功率激光器的研制能够取得突破，到2020年前后，利用激光推进系统可将数百千克的微型卫星送入近地轨道。
　　假如这一目标得以实现，那么毫无疑问，人类将会迎来航天事业的崭新纪元。
　　拥有快速进入空间的能力是关乎未来战争胜负的关键所在。回顾世界上近几场局部战争，军用卫星均大显身手，对战争的胜利起到了重要的作用。但是，由于卫星缺乏有效自身防护和灵活变轨的能力，正面临各种威胁与挑战。战时一旦被击毁，依照目前的卫星发射水平，是很难做到及时补充的。试想一下，在未来争夺制天权的作战中，双方主要军事卫星多被击毁，但拥有快速发射卫星能力的一方通过迅速补充损失卫星，进而取得空天优势，彻底扭转战场局面，那将会是多么诱人的应用前景。然而，受现有化学推进技术，诸如喷注控制、发射窗口以及费用高昂等的限制，卫星发射极不灵活。因此，对于军事应用而言，依靠传统化学推进技术很难实现应急发射卫星。那么，未来实现快速飞天之路究竟在何方？激光推进技术的出现，为解决这一难题，提供了一条的崭新的思路和途径。（周阳升　钟宝林　沈琛）





http://www.chinanews.com/mil/2013/03-13/4637816.shtml

御光飞天终有时 美国航天飞船未来或靠激光推进

2013年03月13日 　来源：解放军报　








科幻电影中的星际旅行，很多都是采用“激光帆”作为前进推力。

　　当科学遇上想象
　　雨果曾说过：“科学到了最后阶段，便遇上了想象。”
　　早在1953年，德国空间技术的先驱曾格尔就预言了使用光进行空间推进的可能性。后来，美国研究者在“低成本进入空间”研究任务中，也给出了激光推进单级入轨发射的概念。该飞行器可以“乘着”激光束，“呼吸着”空气上升到30 千米高度。这是科幻还是科学？激光真的可以产生动力嘛？
　　近几年，科学家们通过实验证明，激光除了用于被我们所熟知的医疗、材料加工以及高能武器等领域外，还可以作为一种新型的推进技术，用于微型卫星发射、飞行器姿态的调整等。
　　那么，激光究竟是如何产生推力，进而推动飞行器运动的呢？
　　通俗而言，激光推进的基本原理如“透镜取火”。众所周知，普通的日光可以在凸透镜的聚焦下，产生较高的温度，点燃易燃物。与此类似，当高能激光经过透镜聚焦于空气时，一旦温度达到或超过其发生变化的阈值，便会发生电离，形成高温的等离子体并迅速膨胀，喷射而出，产生推力，犹如“御光飞天”一般。
　　具体来说，激光推进的工作原理主要是指，从远距离地基激光装置发出的高能激光束，经过推进器的抛物面反向镜聚焦到吸收室(类似于化学火箭发动机的燃烧室)或换热器上，当聚焦区域的激光能量密度达到或超过气体的击穿阈值时，吸收室里的空气便会形成高温高压的等离子体流场喷射而出，其反作用产生推动飞行器前进的推力。略有不同的是，当工质为液体或固体时，在激光照射下，会发生气化，喷射而出的是高温高压的蒸汽羽流。
　　分离出来的优势
　　作为一种基于强激光与工质相互作用原理的新型推进技术，在工作原理、能量转化方式等方面都不同于现有的化学推进。其中，“两大分离”是其最主要特点，即：航天器与能源、能源与工质间的完全分离。
　　如此，我们不仅要问，这种分离技术上的变革会带来哪些优势？
　　对照传统化学推进的局限，可清晰看出激光推进的优势所在——
　　一是成本低，载荷比更高。目前，现有的化学推进火箭，载荷比普遍偏低，推进剂的重量占到火箭总重的70%-90%，而有效运载能力却只占火箭总重量的5%左右。曾作为人类航天史上推力最大的“土星5号”运载火箭，总起飞重量达到3038吨，但其中仅推进剂就有2600多吨，占到了86%。
　　由此，我们不难看出，化学推进的大部分推力其实都用在运输推进剂上了，而非“有效载荷”。
　　得益于航天器与能源的分离，激光推进最突出的优点是不需携带大量的燃料，飞行器在大气层中飞行时，只需通过激光束对空气加热。穿越大气层后，少量工质即可工作，这样就可以把运载工具的有效载荷提高到15%以上，发射费用降低一至两个数量级。
　　二是安全可靠、发射周期短。通常，提供能量的激光装置固定在地面上，飞行器不必像现在的化学推进火箭，需携带易燃易爆、甚至有毒的推进剂，因此，这种发射方式相对安全许多。
　　与此同时，由于没有了传统复杂的能量发生子系统相关的部件，推进系统的设计可以得到相当程度的简化，相应地减少了发射的中间环节，缩短了发射前检测周期，有利于应急发射。
　　三是可以突破单级化学推进火箭的速度上限。虽然化学推进火箭推力较大，但受到推进剂燃烧和推力室结构的限制，燃烧温度不能太高，燃烧室压力不能过大，单级化学推进火箭推动下的最终速度是有限的。根据齐奥尔科夫斯基公式，化学推进的每一级火箭的最大速度只能达到10千米/秒。而在激光束的照射下，高温等离子体的核心温度可达10000-20000开氏度，其喷射速度可以轻松超过化学推进剂燃烧时的喷射速度，因此，激光推进具有突破单级化学推进最高速度限制的潜力。
　　四是推力调节范围大、控制精度高。根据现有的实验研究，当使用不同能量级的激光和不同的推进剂时，激光推进器的推力可在非常大的范围内变动。因此，通过对地激光束能量的调节，便可以更加方便地改变推力大小，满足不同发射任务的要求和航天器的姿态调整等。
　　御光飞天终有时
　　战争是科技发展的催化剂，谁洞悉了科技发展演变的规律，谁就能赶超科技发展的脚步。目前，各国已普遍意识到激光推进在未来航天发射领域所具有的革命性作用，纷纷加大了对相关技术的研发力度。
　　据外媒披露，美、俄、日等国已把激光推进作为发展未来运载工具优先考虑的目标，提出并试验制造了激光光船。
　　迄今为止，公开报道的激光推进飞行器上升的最大高度是由伦斯勒理工学院创造的，在美国空军的资助下，他们成功的将“光船”飞行器发射到了71米。目前，我国首个激光推进及其应用国家重点实验室也已于2012年成立，迈出了探索新型高效航天推进技术研究的坚实步伐。
　　据科学家预测，如果新一代大功率激光器的研制能够取得突破，到2020年前后，利用激光推进系统可将数百千克的微型卫星送入近地轨道。
　　假如这一目标得以实现，那么毫无疑问，人类将会迎来航天事业的崭新纪元。
　　拥有快速进入空间的能力是关乎未来战争胜负的关键所在。回顾世界上近几场局部战争，军用卫星均大显身手，对战争的胜利起到了重要的作用。但是，由于卫星缺乏有效自身防护和灵活变轨的能力，正面临各种威胁与挑战。战时一旦被击毁，依照目前的卫星发射水平，是很难做到及时补充的。试想一下，在未来争夺制天权的作战中，双方主要军事卫星多被击毁，但拥有快速发射卫星能力的一方通过迅速补充损失卫星，进而取得空天优势，彻底扭转战场局面，那将会是多么诱人的应用前景。然而，受现有化学推进技术，诸如喷注控制、发射窗口以及费用高昂等的限制，卫星发射极不灵活。因此，对于军事应用而言，依靠传统化学推进技术很难实现应急发射卫星。那么，未来实现快速飞天之路究竟在何方？激光推进技术的出现，为解决这一难题，提供了一条的崭新的思路和途径。（周阳升　钟宝林　沈琛）





http://www.chinanews.com/mil/2013/03-13/4637816.shtml