激光空天推进技术的发展及应用.doc

激光空天推进技术的发展及应用中国首个激光推进及其应用国家重点实验室2012年12月7日在解放军装备学院挂牌成立。实验室的成立将有力推动中国空天飞行推进新技术基础理论研究、前沿技术创新和科研成果推广，为中国空天飞行推进新技术的创新发展提供重要保障。激光推进及其应用国家重点实验室的依托单位为装备学院和中国航天科工集团三院三十一研究所。2001年以来，实验室的前身“激光推进技术实验室”开始从事激光推进相关技术研究，逐步形成了激光推进应用基础、等离子体流动控制与推进技术、推进流场测试和诊断技术三个研究方向，在国际上率先提出了激光推进能量转化的重大机理，并实现了部分研究成果的转化应用。实验室组建和培养了由中国科学院院士、科技领军人才和中青年技术专家组成的科技创新团队。近年来，团队获国家和军队科技进步奖15项，其中国家科技进步一等奖1项，国家科技进步二等奖1项，国防科学技术二等奖3项，军队科技进步一等奖1项，获国家发明专利20项，100余篇论文被SCI、EI和ISTP三大国际权威检索工具收录。激光推进及其应用国家重点实验室由科技部批准立项建设，是我国首个激光与航空航天交叉领域的实验室。激光推进是利用远距离高能激光加热气体工质，使气体热膨胀产生推力，推动飞行器前进的新概念推进技术，具有比冲高、有效载荷比大、发射成本低等优点，可成为新时期空间推进体系中低成本、高可靠、快速机动进入空间动力技术的备选方案。可广泛用于微小卫星近地轨道发射，地球轨道碎片清除，微小卫星姿态和轨道控制等，当应用于近地轨道发射时，可使发射成本降低到每千克几百美元，远低于目前化学火箭每千克上万美元的成本，因而受到各国广泛关注。激光推进光船的早期模型20多年前，美国开始研制代号为“星球大战”的导弹防御系统。该系统旨在追踪其他国家发射的导弹，并使用激光器将其击落。虽然这个系统是为战争而设计，但研究人员发现这些高功率激光器还有众多其他用途。有朝一日激光器会用于将宇宙飞船推向轨道和其他星球。人类目前使用航天飞机飞向太空，而航天飞机要发射升空，除了要装好几吨燃料外，还必须绑两个巨大的火箭助推器。激光器可供工程师研制出无需装载能源的轻型宇宙飞船。光船本身可充当引擎，而燃料则是光。激光推进火箭听上去就像科幻小说里的宇宙飞船乘着激光束进入太空，它只需少量或无需装载推进剂，而且还无污染。这似乎不可思议，因为人类尚未研制出任何与之相近的设备可用于地球上常规的地面或空中旅行。尽管实现这一目标可能还需要15-30年，但建造光船的原理已经成功实验了多次。一家名为光动力飞行器技术公司（Lightcraft Technologies）的公司在继续改进始于伦斯勒理工学院（位于纽约特洛伊市）的研究。光船的基本原理光船的基本原理非常简单橡子形飞行器利用镜子接收并聚焦入射激光束，以加热空气并使之爆炸，从而推进飞行器。下面列出了这种革命性推进系统的基本组件：二氧化碳激光器光动力飞行器技术公司使用脉冲激光损伤测试系统 (PLVTS)，这是星球大战防御计划的产物。试验光船目前使用10千瓦的脉冲激光器，也是全世界功率最大的激光器之一。抛物柱面镜宇宙飞船的底部是一面镜子，可将激光束聚焦至引擎进气口或机载推进剂。还有一面看似望远镜的镜子充当次级陆基发射机，用于将激光束引导至光船上。吸收室将进气引入吸收室，并由激光束加热膨胀，从而推动光船。机载氢当大气过于稀薄，无法提供足够的空气时，需要少量氢推进剂提供火箭推力。早期光船模型光船发射前会喷射一股压缩空气，这些空气将使其以大约10，000转/分（rpm）的速度旋转。当激光器发射脉冲时，会不断加热空气直至燃烧。空气燃烧会产生闪光。这种旋转对陀螺式稳定飞行器非常必要。以美式橄榄球为例：为了更精准地传球，四分卫会在踢球时加以旋转。将旋转施加给这种极轻的飞行器，就能让其更稳定地穿过空气。一旦光船以最佳速度旋转，激光器就会打开，从而将光船推向空中。10千瓦激光器发射脉冲的频率是25-28次/秒。通过发射脉冲，激光器会继续向上推动飞行器。光束由飞行器底部的抛物柱面镜聚焦，并将空气加热到9982-29982，比太阳表面的温度还要高好几倍。空气在高温下会转化为等离子状态，然后等离子发生爆炸并向上推进飞行器。这种激光光船也可以使用镜子，将其安装在光船内，投射飞船前方的光束能量。激光束发出的热量会形成空气钉，使飞船四周的空气转向，从而既能减小阻力，又能减少光船吸收的热量。用激光驱动飞机2009年8月，美国科学家进行一系列的激光推进实验，有望引发一场利用激光作为推进动力的飞行器革命。借助于激光推进客机，乘客从地球一端到另一端所需要的时间只有不到一小时。这项利用高能激光的基础研究性实验正在巴西进行，在这个实验室力，一个极超音速震波风洞与两个脉冲红外激光器相连，峰值功率可达到十亿瓦特。米拉伯说，这是迄今为止进行的功率最高的激光推进实验。他指出：“在实验室内，我们对全尺寸的激光发动机进行测试，使用这种发动机的飞行器将让造访太空的方式发生革命性变化。这是真实存在的硬件。这是真实存在的物理学。我们能够获得真实数据，绝不是在纸上谈兵。迄今为止，我们已获得大量数据。点燃发动机时你会发现，它真的是一个不可思议的家伙。它发出的声音就像是有人在实验室内用猎枪射击，声音真的是太大了。”米拉伯表示，激光推进实验也同样与发射纳米卫星(重量在1至10公斤)和微型卫星(重量在10至100公斤)进入低地球轨道联系起来。打造和放飞米拉伯的“激光高速公路”是一个系统工程，一直有条不紊地进行。1996年至1999年，他在新墨西哥州的白沙导弹发射场，利用10千瓦的高能红外激光发射了光动力飞行器原型。2000年，他又创造了一项新的激光推进飞行器飞行高度世界纪录，实验把一个直径12.2厘米、重量50克的小型光船送达了71米的高度。米拉伯指出，几十年来，研究激光推进的物理学家一心要实现这样一个目标，那就是将每瓦特激光能的成本控制在几美元。他说：“我们已经逼近这一目标。这是我们的愿望，我们愿意为之付出努力和汗水。这项技术在商业上成为现实的一天很快就要到来。”科学家计划建造“激光反物质动力”星际飞船伊卡洛斯星际公司是一个致力于研究科学和技术使得人类在2100年进行真正意义上星际航行的非营利性机构，由英国星际协会与TauZero基金会发起，物理学家、博士后研究员理查德-奥伯塞（RichardObousy）是该计划的联合创始人。虽然多位研究人员探讨关于人类进行星际航行，但这一使命并不受到很大的关注，这是因为按目前的宇航科技发展，进行星际旅行和返回任务需要相当长的时间跨度。人类星系航行任务涉及宇宙飞船初始助推段、巡航段的技术问题，下一步将是抵达目标天体前的减速和围绕轨道运行阶段，期间科学家就进行科学数据的探测和收集。最后，宇宙飞船将启动第二阶段的加力推进段，目标为返回太阳系，再次经过加速段的星际巡航后需要进行减速，而今被太阳引力捕获。伊卡洛斯星际航行计划是对未来载人恒星际航行的预演，原则上可以将宇航员安全返回地球。科学家进一步发现反物质可以提供密度最高的能量源，非常适合于进行恒星际航行。此外，该反物质反应释放能量是自发性的，不需要任何复杂的反应堆系统或者笨重的启动程序进行诱导反应的进行。一种反物质火箭动力系统的可能性技术涉及到施温格电子偶产生的量子效应，目前我们通过实验探索到宇宙中所有已知形式的能量，宇宙可被准确描述为是一种量子场域。每个真空行为的模式就像一个简谐波振动发生器，简谐振动的量子机械属性是基态波动的展现，作为海森堡不确定性原理的一个结果。 当反物质不断积累到足够的量时，宇宙飞船就有了返航时的燃料供应，以满足回程时加速段和减速段的动力需求，科学家认为这是一种未来用于人类恒星际航行探索的可能方法。但其中有一个关键性且独特的因素，即科学家建议可通过电场创建质子-反质子对，通过额外电场自发形成粒子的机制已经应用于当代的粒子物理学领域，包括对黑洞量子蒸发、黑洞附近形成电子-正电子的研究。虽然本项研究还处于较早的发展起步阶段，但是已经有相关论文得到发表，如2011年公布的星际探索飞船系统：从真空到反物质火箭的研究。基于该理论研制出来的宇宙飞船动力系统在进行恒星际航行的加速段和减速段所消耗的燃料可以大大减少，仅飞船自身携带的燃料就可以满足。在抵达目标恒星系统后，宇宙飞船将会自动计算出一个稳定的公转轨道，通过巨大的太阳能电池板作用该阶段的能量供应，科学家设计的太阳能电池板面积将达到数百平方英里。恒星光的能量将被转换为激光能量，并通过施温格电子偶产生量子效应从真空中创建反物质。如同经典物理学中我们所相信的那样，真空并不缺乏物质和激光切割机能量，但这也是量子