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1、1激光支持爆轰波推进技术简介（浙江杭州 310027）摘要：激光推进是一种新型的推进模式，具有低能耗、高比冲等优点，在航空航天和武器技术领域有巨大的发展前景。按作用机理可以分为大气模式和火箭烧蚀模式两种推进方式。本文简要介绍了激光推进技术的相关原理和研究现状，并对其发展趋势进行了简要论述。关键词：激光推进；大气模式；火箭烧蚀模式1 引言传统的空间飞行器的发射利用的是大型化学运载火箭。化学燃料推进比较低，约为200500s，有效载荷比约为 1.5%，发射成本约为 10000 美元/千克，且对大气环境的污染较大，具有很大的应用局限性。科学界努力汛期一种新型的清洁、高效的推进方式，激光推进技术就是一
2、次积极的尝试。1972 年，美国学者首先提出了利用激光烧蚀产生的等离子体来代替化学燃料推进空间飞行器的概念，开创了激光推进的新领域。激光推进的基本原理是利用激光与靶物质相互作用过程中产生的等离子体反喷推力进行推进。激光推进既能使推力达到 10000 N 量级，又能获得 2000s 以上的比冲，可望用于将微小型空间飞行器从地面直接送入近地轨道，也可用于飞行器的空间推进或姿态调整。用于地面发射时，由于能量从地基激光器输入，可大大提高飞行器的有效载荷( 达 15 %以上)，降低成本(据国外估算可降低 2 个数量级) ，减轻污染。2 激光推进的技术原理使用大功率激光束聚焦介质，当聚焦点的激光功率密度达
3、到一定强度时，介质将被击穿变成高温等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后，沿激光入射方向形成爆轰波，这种爆轰波被称为激光支持爆轰波（Laser-Supported Detonation Wave） ，简称为 LSDW。利用激光支持爆轰波作用于飞行器，将激光光能转化为飞行器动能，推进飞行器运动，即为激光推进。与传统的化学推进相比，激光推进在概念上的创新主要归结为两个分离：（1）工质和能量分离；（2）飞行器和能源系统分离。工质做功的能量由外来激光注入，工质能量密度不受传统化学推进剂化学能的限制，因而可以大幅度提高比冲和推进效率。第二个分离使飞船不必携带笨重的能源系统，进一步减轻飞船的重量，有效载荷
4、比可达 15%以上，大大降低发射成本。由于采用非含能工质，因此提高了发射的安全性，并减少了对大气环境的2污染。从是否消耗自身携带工质看，激光推进的驱动模式可分为大气模式和火箭烧蚀模式。大气模式是将经进气道吸入的空气作为工质，激光击穿空气，产生激光支持的等离子体爆轰波，推动光船前进的推进模式。火箭烧蚀模式是指激光加热光船自身携带的工质(气体、液体和固体)产生高温高压等离子体，经喷管推动光船前进的推进模式。当飞行器位于大气层内时，可利用飞行器尾部抛物面反射镜聚焦地基激光器发出的激光能量，在焦点处点燃空气等离子体进行推进(大气模式 )，这时飞行器不消耗自身质量。当处于大气上层 (30km 以上) 或
5、外空间时转为采用自携工质( 火箭烧蚀模式)。2.1 大气模式如图 1 所示为激光推进大气模式的作用原理图。抛物面光船具有自聚焦功能。平行激光束入射到抛物面光船内壁面，经壁面发射后聚焦于光学焦点处，击穿空气形成激光支持爆轰波，激光支持爆轰波传播一定距离后，作用于光船壁面推动光船运动。由于光船尺寸远大于爆轰区域，因此可以讲激光支持爆轰波看成一个点，用点爆炸模型来描述爆轰波对光船的作用。可认为激光沉积能量是在击穿点瞬间释放出来的，在周围空气中形成冲击波，冲击波向外呈球形膨胀。冲击波波面与光船内壁面接触后，产生反推力推动光船运动。反推力的瞬时平均值为 F，当功率为 的激光束辐照在质量为 m 的飞行器上
6、，时刻Pt 内沉积的能量为 W，飞行器获得的速度增量为 V，则可定义冲量耦合系数 ( 单位mC入射激光能量产生的冲量) 为FmC（1）孙承纬从 LSD/LSC 波模型出发推倒出飞行器获得的冲量耦合系数为02/3021/210/321sin85.0RPtpm（2）式中： 、 为和激光有关的参数， 为环境气体密度， 为激光脉冲宽度，P 为激光1C2 0pt的功率密度， 为抛物面的焦距， 为抛物面的半张角。0R由于大气模式下激光作用的介质为空气，光船自身没有携带严格意义上的推进剂，所以在此模式下不便以比冲为衡量指标。3图 1 大气模式原理图 图 2 火箭烧蚀模式原理图2.2 火箭烧蚀模式如图 2 所
7、示为火箭烧蚀模式原理图。高功率激光直接作用于固体靶，靶面迅速汽化产生靶蒸气，在激光的进一步作用下，靶蒸气吸收激光能量而电离产生蒸气等离子体，高温、高压蒸气等离子体迅速向外膨胀形成冲击波，冲击波与光船壁面作用产生发推力，推动光船运动。反推力的瞬时平均值为 F，当功率为 的激光束辐照在质量为 m 的飞行器上，时刻Pt 内沉积的能量为 W，烧蚀的工质质量 m 以速度 向后喷射，飞行器获得的速度增量EV为 V，则可定义冲量耦合系数 ( 单位入射激光能量产生的冲量 ) 为CF（3）式中，m V 是飞行器获得的动量增量， 的单位为 。根据动量守恒有mWNm V= m EV（4）由比冲的定义（消耗单位质量推
8、进剂产生的冲量）有EspI/（5）当比冲单位用 s 来表示时，00/mgVgIEsp（6）式中， 是地面重力加速度，一般取 10 。设 Q 为烧蚀单位质量工质所需的激光能0g2/s量W/（7）则4spEmIgVQC0（8）若定义喷射产物的动能与输入激光能量之比为能量有效利用率 （ ） ，则1EmspmE VCQIgW2021/1（9）式（9）表明，当 一定（即能量转化效率为某一常数）时， 和 互为倒数关系，这spI体现了能量守恒的要求。式（3）表明提高推力的途径是提高激光功率和冲量耦合系数；式（5）表明提高比冲或喷射速度可以减少推进剂的消耗，但式（8）给出，提高比冲或喷射速度的根本途径是提高
9、值。对于化学推进而言， 值受化学能的限制，因而其最大比冲QQ受到制约（ ） ，对于激光推进来说，由于能量从外部输入，自身可以不含能，sIsp50值原则上不受限制，因而比冲可以高于化学推进。Q3 激光推进的研究现状自从 1972 年美国的 Kantrowitz 首次提出采用高能激光推进飞行器的概念以来，许多国家都积极开展了相关研究。早期的研究主要集中在激光与物质相互作用、激光器参数的改变和靶材的选取，这方面的实验和理论工作取得了很多有意义的结果。真正的激光推进飞行器可行性实验直到 1996 年才得以开展。美国于 20 世纪 80 年代末提出激光推进飞行器的概念，目标是用 100MW 万级的地面激
10、光器将重 120kg、直径 1.4m 的飞行器送人低地球轨道。1996 年，美国空军实验,室推进分部和国家航空航天局马歇尔空间飞行中心才开始联合研究用高功率激光器将微型航天器送入低地球轨道的可行性。目的是为了将许多较轻的载荷军事情报搜集卫星等快速布放到不同的轨道上。这项研究负责人 Myrabo 设计的名为 Lightcraft 的铝材飞行器代在诸多飞行器模型中最具代表性，这种飞行器不包括任何动力装置和燃料。飞行器的头部包括进气口和空气压缩腔，尾部由聚光用的轴对称抛物面形反射聚光系统及喷嘴组成。中部突出的环型罩是基本推进结构。工作时尾部装置接收激光能量，反射由地面射来的红外脉冲激光束，并成环状聚
11、焦，击穿腔内空气，形成高温等离子体热膨胀，推进飞行器。在过去的几年当中，美军在新墨西哥州白沙导弹靶场一共进行了一百多次试验，所有试验均采用一台平均功率为 10kW 的脉冲仇激光器，重复频率 110Hz 可调，脉冲宽度 30us，最高脉冲能量 1000J。他们的第一次试验是在 1996 年 7 月进行的，采用的是质量为 2kg 的 Lightcraft，测得的动量耦合系数为 100200N/MW。由于飞行器的质量过大，飞行实验未能成功。其后他们对 Lightcraft 进行了改进，将飞行器的质量减至 50g 左右。直到 1997 年夏天，这种 Lightcraft 的长距离水平有线制导飞行和垂直
12、方向自由飞行才取得成功。开始时的自由飞行高度只有几米，1997 年 7 月份的一次试验中 Lightcraft 的自由飞行高度达到 39m，2000 年 10 月初，他们将自由飞行高度提高到 71m，创下了飞行 12.7s 的最长时间记录。他们下一个目标是飞行高度达到 300m，并且计划在 5 年内采用兆瓦量级的地基红外激光器来发射商用小卫星。1999 年德国的 Bohn 利用脉冲能量 100J、重复率 100Hz 的脉冲 激光器也将质量为2CO550g 的飞行器推至 8m 的高度。应用经典轨道理论，他认为只要将动量耦合系数提高到100dyn/W， 将 110kg 的卫星发射到距地面 350k
13、m 的近地轨道，只需要 100kW 的脉冲激光器，连续运转时间为 240s。如果真是这样，激光推进实用型小卫星的日子就指日可待了。而 Phipps 的计算结果表明 1MW 的激光器只能将 6kg 的飞行器在 700s 的时间内推人近地轨道。日本的激光推进飞行研究也是十分活跃。早在上个世纪 90 年代初期，日本航空宇宙技术研究所进行了脉冲 Nd：YAG 激光推进小船模型的实验，采用平均功率 3W 的激光束推进 8g 的小船得到了 4dyn 的推力。2001 年 Yabe 等人报道了一个新颖的激光推进纸飞机实验，他们采用 590mJ、脉宽为 5ns 的 YAG 激光来驱动尺寸为 38mm 30mm
14、 5mm、质量为 0.1g 的纸飞机。纸飞机的尾部涂刷一层薄铝膜和一层透明物质膜，这样做的好处是可以大大提高动量耦合系数。实验的独特之处在于由激光束入射到模型的不同部位来控制纸飞机的飞行方向，无需额外的发动机和控制设备。据称目前可以用于观察气候和火山喷发，将来在空气稀薄，喷气式发动机无法工作时，可以用于驱动飞机高空飞行。国内这方面的研究起步较晚，20 世纪 90 年代初，华中科技大学采用高功率连续波激光器和 1.06um 的脉冲激光器对多种材料样品进行辐照实验，主要研究激光与物质2CO相互作用的机理，中科院电子所 1999 年 11 月采用重复率为 300Hz、脉冲能量为 3J 的 TEA 激
15、光器在国内进行了首次激光水平推进实验，将一直径为 22mm，质量为 500mg 的圆锥状模型推进到 3m 的距离。据中国空间新闻网报道， 2002 年底装备指挥技术学院完成了单线导引、双线导引和气垫导轨导引的激光水平推进试验。2001 年中国科技大学采用调 Q高功率单脉冲钕玻璃激光将一个质量为 5.8g 的模拟子弹发射到 1.48m 的高度。2003 年中科院电子所和中国科技大学合作采用最高重复率为 200Hz、脉冲能量为 20J 的 激光器进2CO行了激光水平方向推进和竖直方向推进实验，取得了初步的实验数据。4 激光推进的发展趋势综上所述，由于激光技术、自适应光学技术的发展和激光动量藕合效率
16、的提高，激光推进技术有了长足的发展。激光推进技术有很好的应用前景，除用于发射航天器外，还可用于改变卫星轨道、清除太空垃圾等。一旦激光推进发射技术发展成熟，还会带动高分辨成像、保密通讯、全球定位等技术的快速发展。虽然激光推进技术用于发射航天器的前景十分诱人，但是目前仅处于检验激光推进发射航天器可行性实验论证阶段，离实用化还有很长的一段距离。其中急需解决的关键问题有：（1）高性能、高平均功率激光器。决定飞行器飞行高度的主要因素是激光功率。目前，脉冲激光器的最高平均功率为万瓦级，连续运转时间较短（1020s） ，要将实用的飞行器发射到近地轨道，还要进一步提高激光功率（兆瓦以上）和延长激光器的连续运转时间（几分钟） ；同时还要进一步提高激光光束质量，尽可能缩小光束发散角，以减轻制造大尺寸反射镜的难度。（2）高精度的跟瞄技术。由于飞行器处于高速的飞行状态，应保证飞行器在飞行过程中不偏离轨
