激光推進的應用前景

摘 要:航天發(fā)射時，運載火箭拖著長長的火焰直飛九天的畫面，已經(jīng)為人們所熟悉。然而，也許在不久的將來，這種場景就會發(fā)生全新的變化:那長長的火焰被一束激光所取代，震耳欲聾的隆隆巨響隱于無形，在無聲無息中，衛(wèi)星被成功送入軌道。學者們正在苦苦探索的激光推進技術，就是把這一幕變?yōu)楝F(xiàn)實的神奇鑰匙，一個嶄新的航天時代正在悄悄的向我們走來。

關鍵詞:激光推進應用前景

中圖分類號:TN24文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(c)-0012-03

激光推進是利用高能激光與工質相互作用產(chǎn)生推力，推動光船前進的新概念推進技術，不論是推進原理、能量轉化方式，還是系統(tǒng)組成和應用體系，都不同于現(xiàn)有的化學火箭推進。激光推進中，運載器與有效載荷是一體化設計的，稱為光船。工質是指與激光相互作用的工作物質。

激光推進系統(tǒng)主要包括激光器、光束發(fā)射與控制系統(tǒng)和光船三部分，如圖1所示。激光器產(chǎn)生高能激光束，光束發(fā)射與控制系統(tǒng)將激光發(fā)送到光船，光船接收注入的激光能量實現(xiàn)光－力轉換[1-8]。

美國學者Kantrowitz先生關于激光推進4P原則(It leaves everything on the ground except“Payload，Propellant，and Photons ... Period！”[2])的論述，集中反映了激光推進不同于化學火箭推進的突出優(yōu)點。激光推進系統(tǒng)中的工質與激光能量分離、光船與地面能量系統(tǒng)(指激光器和光束發(fā)射與控制系統(tǒng)系統(tǒng))完全分離。

科學家們認為，激光推進技術在航天運載發(fā)射、衛(wèi)星與飛行器空間機動等方面有著廣泛的應用前景，可以用于衛(wèi)星直接發(fā)射進入近地軌道、將近地軌道衛(wèi)星轉移到地球同步軌道、維持衛(wèi)星軌道參數(shù)和清除太空垃圾等。

1單級發(fā)射微小衛(wèi)星

我國微小型衛(wèi)星一直依賴于運載火箭搭載或一箭多星方式發(fā)射，這兩種方式不僅成本較高，發(fā)射的機動性和靈活性也都受到很大的限制。單級入軌是降低成本、提高機動性和靈活性的途徑之一。根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，對于比沖在200～500s范圍的化學火箭推進系統(tǒng)，單級入軌運載火箭的質量比一般大于7，實現(xiàn)單級入軌比較困難。激光推進系統(tǒng)比沖高達2000s，則質量比小于3。質量比小，更容易實現(xiàn)單級入軌。美國學者在“低成本進入空間”研究任務中，給出了如圖2所示的激光推進單級入軌發(fā)射概念圖。圖中飛行器“乘著”激光束，“呼吸著”空氣發(fā)射到30km高度。

著名激光推進技術專家Phipps教授研究了激光推進近地軌道發(fā)射成本與沖量耦合系數(shù)以及發(fā)射頻率之間的關系，圖3給出了其典型研究結果。從圖中可以看出，只要能夠實現(xiàn)100N/MW至1000N/MW范圍的沖量耦合系數(shù)，則在發(fā)射頻率很低的情況下近地軌道發(fā)射成本也可以降低到$100/kg量級。也就是說，激光推進技術一旦獲得廣泛應用，將1kg級微小衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道僅需幾百美元，遠低于化學火箭每公斤近地軌道有效載荷約1萬美元的發(fā)射成本。激光推進可能會徹底改變目前航天發(fā)射模式。

2 在軌衛(wèi)星的姿軌控

近年來，微小衛(wèi)星技術發(fā)展迅猛。為適應微小衛(wèi)星編隊飛行的要求，需要對衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道進行精確控制，只有最小沖量單位為10-4～10-6N·s量級的微推力器才能完成對這種衛(wèi)星的精確定位任務。圖4給出了幾種微推進的推力覆蓋范圍比較。

目前，化學微推進、冷氣微推進和電推進已經(jīng)在航天領域進入應用階段，但是它們也有各自的局限性，例如化學微推進、冷氣微微進的最小沖量太大，即最小沖量在10-3N·s量級，無法滿足微小衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制要求;離子微推進系統(tǒng)復雜、功耗大、需要電壓高，因而體積、重量大。這些微推進都能夠提供mN量級的推力，但是對于精確姿軌控所需要的μN量級，甚至nN量級的推力，只有激光微推進能夠滿足要求，并且激光微推進具有高效率、長壽命、高可靠性、低功耗和更小的單脈沖沖量等特點，對于提高有效載荷或延長衛(wèi)星在軌壽命具有重要意義。

3 高超聲速飛行器減阻

對于飛行器來說，開展增升減阻研究是特別需要的，其阻力降低百分之幾，就可以節(jié)省上千億美元的燃料成本;與提高升力相比較，減小阻力能夠更加有效的提高其氣動性能。因此世界各個航空航天大國都一直致力于飛行器的減阻研究。

目前常用的方法只能將阻力減小70％左右，而且工程應用的難度較大，在關注傳統(tǒng)減阻方法的同時，學者們一直在努力探索新型減阻方法。從20世紀90年代開始，以美國Myrabo為代表的學者們在高超聲速飛行器鈍頭體前方用高功率激光擊穿空氣產(chǎn)生高溫高壓擾動區(qū)，并形成空氣錐，從而達到減阻的目的。圖5給出了實驗的紋影照片。

筆者的數(shù)值模擬研究結果表明:用平均功率103W量級的脈沖激光，在鈍頭飛行器和弓體激波之間通過OPD形成準靜態(tài)波，準靜態(tài)波區(qū)域是一個高溫高壓區(qū)，這個區(qū)域對周圍流場和前面的弓體激波形成干擾，使得弓體激波演變?yōu)樾奔げ?。當準靜態(tài)波區(qū)域的溫度和壓力分別接近20000K和70atm時，可以減小93％以上的波阻。圖6為壓力場云圖隨時間的演化過程，從圖中看到，激光能量的點源注入形成高溫高壓區(qū)域，顯著改變波系結構和壓力場分布。

4 空間碎片清除

空間碎片的激光主動清除技術，是利用激光將碎片直接燒蝕掉或推離原軌道墜入大氣層燒毀。激光推進在這一領域的應用，是國際專家的普遍共識。與其它方法相比，地基激光清除空間碎片技術的特點是，整個硬件系統(tǒng)建設在地基，便于維修保障、運行成本低、沒有化學污染和電磁干擾，而且支撐性技術大部分技術成熟度較高，工程化進程可以相對短些。

從20世紀90年代開始，以美國為代表的西方發(fā)達國家就已經(jīng)在空間碎片的激光主動清除方面做了大量研究工作，NASA和USAF資助的ORION研究計劃最為著名。ORION方案采用平均功率為30kW，波長為1.06mm的銣玻璃激光器，激光器輸出能量為15kJ，重復頻率為2Hz，發(fā)射口徑為6m，采用自適應光學系統(tǒng)。整個激光系統(tǒng)建在高山上以減少激光束在大氣傳播中引起的衰減，能清除1500km高度上的碎片，圖7給出了ORION系統(tǒng)的組成示意圖。

參考文獻

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