激光支持爆轰波推进技术简介.doc

激光支持爆轰波推进技术简介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 器技术领域令巨人的发展前景按作用机理可以分为人气模式和火箭烧蚀模式两种推进方 式木文简要介绍了激光推进技术的相关原理和研究现状，并对英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人型化学运载火箭化学燃料推进比较低，约为 20（T500s,有效载荷比约为1.5%,发射成木约为10000美元/千克，且对人气坏境的污染 较人，具有很人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來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木原理是利用激光与靶物质相互作 用过程小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 级，又 能获得2000s以上的比冲，可望川于将微小型空间飞行器从地面玄接送入近地轨道，也可 用于飞行器的空间推进或姿态调整用于地血发射时，由于能量从地基激光器输入，可人 人提高飞行器的有效载荷（达15 %以上），降低成木（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人功率激光束聚焦介质，当聚焦点的激光功率密度达到一定强度时，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 川激光支持爆轰波作川于飞行器，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）工质和能暈分离；（2）飞行器和能源系统分离工质做功的能暈由外來激光注入， 丁质能量密度不受传统化学推进剂化学能的限制，因而可以人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，有效载荷比可达 15%以上，人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 了对人气环境的污染从是否消耗白身携带工质看，激光推进的驳动模式可分为大气模 式和火箭烧蚀模武人气模武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武是指激光加热光船自 身携带的工质（气体、液体和1周体）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 激光能景,在焦点处点燃空气等离子体进行推进（人气模式），这时飞行器不消耗自身质 量当处于人气上层（30km以上）或外空间时转为采用自携工质（火箭烧蚀模式）o2.1人气模式如图1所示为激光推进人气模式的作川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血，经壁血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，作用于光船壁血推动光船运动由于光船尺寸远 人于爆轰区域，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 船的作川可认为激光沉积能量是在击穿点瞬间释放出來的，在周I韦I空气中形成冲击波， 冲击波向外呈球形膨胀冲击波波血与光船内壁血接触后，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P的激光束辐照在质量为m的飞行器上，时刻t 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Cm (单位入射激光能量产生的冲量)为Cm m VW3/2 FP (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Cm 0.838851C1C2 Otpl/21/2 1/2P l/2R03/2sin 0 (2) 2式中：Cl、C2为和激光有关的参数，0为环境气体密度，tp为激光脉冲宽度，卩为激 光的功率密度，R0为抛物血的焦距，0为抛物血的半张角。

由于大气模武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等离子体激光束图1人气模式原理图图2火箭烧蚀模式原理图2.2火箭烧蚀模式2如图2所示为火箭烧蚀模式原理图高功率激光胃接作用于固体靶，靶面迅速汽化产生 靶蒸气，在激光的进一步作用下，靶蒸气吸收激光能暈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P的激光束辐照在质量为m的飞行器上，时刻t 内沉积的能量为W,烧蚀的工质质量m以速度VE向后喷射，飞行器获得的速度增量为V,则可定义冲量耦合系数Cm (单位入射激光能量产生的冲量)为Cmm VWFP(3)式中，m V是飞行器获得的动量增量，5的单位为N根据动量守恒有m V二mVE (4)由比冲的定义(消耗单位质量推进剂产生的冲量)有Isp in V/ m VE (5)当比冲单位用s来表示时,Isp VE/gO m V/ mgO (6)武中，gO是地面重力加速度，一般取10ni/so设Q为烧蚀单位质量工质所需的激光能量 Q W/ m (7)贝 I」CmQ VE gOIsp (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( 1),则12mVE/W2212gOCmlsp CmQ CmVE (9)2式(9)表明，当 一定(即能量转化效率为某一常数)时，Cm和Isp互为倒数关系， 这体现了能暈守恒的要求。

武(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 或喷射速度的根木途径是提高Q值对于化学推进而言，Q值受化学能的限制，因而具最 大比冲受到制约(Isp 500s),对于激光推进来说，由于能量从外部输入，自身可以不 含能，Q值原则上不受限制，因而比冲可以高于化学推进3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來，许多国 家都积极开展了相关研究早期的硏究主要集川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 行器可行性实验玄到1996年才得以开展美国于20世纪80年代末提岀激光推进飞行器 的概念，日标是用100MW力级的地血激光器将重120kg、直径1.4m的飞行器送人低地球轨 道1996年，美囲空军实验，室推进分部和国家航空航天局马歇尔空间飞行小心才开始联 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U的是为了将许多较轻的 载荷军事情报3搜集卫星等快速布放到不同的轨道上这项研究负贲人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，尾部由聚光川的轴对称抛物面形反射聚光系统 及喷嘴组成中部突出的坏型罩是基木推进结构工作时尾部装置接收激光能量，反射由 地面射來的红外脉冲激光束，并成环状聚焦，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川，美军在新墨西哥州门沙导弹靶场一共进行了一百多次试 验，所有试验均采川一台平均功率为iokw的脉冲仇激光器，重复频率rioiiz可调，脉冲 宽度30us,最高脉冲能景lOOOJo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100、200N/MW由于飞行器的质量过 人，飞行实验未能成功其后他们对Lightcraft进行了改进，将飞行器的质疑减至50g 左右玄到1997年夏天，这种Lightcraft的长距离水平有线制导飞行和垂玄方向自由飞 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年内采用兆杠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C02激光器也将质量为50g的飞行器推至血的高度M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riOkg的卫星发射到距地面350km的近地轨道，只需要lOOkW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590町、脉宽为5ns的YAG激光來驱动尺寸为38mm 30mm 5mm.质量为 0. lg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人 人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日前可以川于观察气候和火山喷发，将 來在空气稀薄，喷气式发动机无法T作时，可以用于驱动飞机高空飞行。

国内这方血的研究起步较晚，20世纪90年代初，华小科技人学采用高功率连续波C02 激光器和I. 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相互 作用的机理，中科院电子所1999年11月釆用重复率为300Hz、脉冲能量为3J的TEA C02 激光器在国内进行了首次激光水平推进实验，将一玄径为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年中国科技人学采用调Q高功率 单脉冲敘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 子所和小国科技人学合作采用最高重复率为200Hz、脉冲能量为20J的C02激光器进行了 激光水平方向推进和竖玄方向推进实验，取得了初步的实验数据4激光推进的发展趋势4综上所述，由于激光技术、自适丿应光学技术的发展和激光动量融合效率的提高，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U前仅处于检验激光推进发射 航天器可行性实验论证阶段，离实川化还有很长的一•段距离其中急需解决的关键问题 右：（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力瓦级，连续运转时间较短（10、20s），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（兆乩以上）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。