摘 要:航天发射时,运载火箭拖着长长的火焰直飞九天的画面,已经为人们所熟悉。然而,也许在不久的将来,这种场景就会发生全新的变化:那长长的火焰被一束激光所取代,震耳欲聋的隆隆巨响隐于无形,在无声无息中,卫星被成功送入轨道。学者们正在苦苦探索的激光推进技术,就是把这一幕变为现实的神奇钥匙,一个崭新的航天时代正在悄悄的向我们走来。
关键词:激光推进应用前景
中图分类号:TN24文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)08(c)-0012-03
激光推进是利用高能激光与工质相互作用产生推力,推动光船前进的新概念推进技术,不论是推进原理、能量转化方式,还是系统组成和应用体系,都不同于现有的化学火箭推进。激光推进中,运载器与有效载荷是一体化设计的,称为光船。工质是指与激光相互作用的工作物质。
激光推进系统主要包括激光器、光束发射与控制系统和光船三部分,如图1所示。激光器产生高能激光束,光束发射与控制系统将激光发送到光船,光船接收注入的激光能量实现光－力转换[1-8]。
美国学者Kantrowitz先生关于激光推进4P原则(It leaves everything on the ground except“Payload,Propellant,and Photons ... Period！”[2])的论述,集中反映了激光推进不同于化学火箭推进的突出优点。激光推进系统中的工质与激光能量分离、光船与地面能量系统(指激光器和光束发射与控制系统系统)完全分离。
科学家们认为,激光推进技术在航天运载发射、卫星与飞行器空间机动等方面有着广泛的应用前景,可以用于卫星直接发射进入近地轨道、将近地轨道卫星转移到地球同步轨道、维持卫星轨道参数和清除太空垃圾等。
1单级发射微小卫星
我国微小型卫星一直依赖于运载火箭搭载或一箭多星方式发射,这两种方式不仅成本较高,发射的机动性和灵活性也都受到很大的限制。单级入轨是降低成本、提高机动性和灵活性的途径之一。根据齐奥尔科夫斯基公式,对于比冲在200～500s范围的化学火箭推进系统,单级入轨运载火箭的质量比一般大于7,实现单级入轨比较困难。激光推进系统比冲高达2000s,则质量比小于3。质量比小,更容易实现单级入轨。美国学者在“低成本进入空间”研究任务中,给出了如图2所示的激光推进单级入轨发射概念图。图中飞行器“乘着”激光束,“呼吸着”空气发射到30km高度。
著名激光推进技术专家Phipps教授研究了激光推进近地轨道发射成本与冲量耦合系数以及发射频率之间的关系,图3给出了其典型研究结果。从图中可以看出,只要能够实现100N/MW至1000N/MW范围的冲量耦合系数,则在发射频率很低的情况下近地轨道发射成本也可以降低到$100/kg量级。也就是说,激光推进技术一旦获得广泛应用,将1kg级微小卫星发射到近地轨道仅需几百美元,远低于化学火箭每公斤近地轨道有效载荷约1万美元的发射成本。激光推进可能会彻底改变目前航天发射模式。
2 在轨卫星的姿轨控
近年来,微小卫星技术发展迅猛。为适应微小卫星编队飞行的要求,需要对卫星的姿态和轨道进行精确控制,只有最小冲量单位为10-4～10-6N·s量级的微推力器才能完成对这种卫星的精确定位任务。图4给出了几种微推进的推力覆盖范围比较。
目前,化学微推进、冷气微推进和电推进已经在航天领域进入应用阶段,但是它们也有各自的局限性,例如化学微推进、冷气微微进的最小冲量太大,即最小冲量在10-3N·s量级,无法满足微小卫星的高精度姿态控制要求;离子微推进系统复杂、功耗大、需要电压高,因而体积、重量大。这些微推进都能够提供mN量级的推力,但是对于精确姿轨控所需要的μN量级,甚至nN量级的推力,只有激光微推进能够满足要求,并且激光微推进具有高效率、长寿命、高可靠性、低功耗和更小的单脉冲冲量等特点,对于提高有效载荷或延长卫星在轨寿命具有重要意义。
3 高超声速飞行器减阻
对于飞行器来说,开展增升减阻研究是特别需要的,其阻力降低百分之几,就可以节省上千亿美元的燃料成本;与提高升力相比较,减小阻力能够更加有效的提高其气动性能。因此世界各个航空航天大国都一直致力于飞行器的减阻研究。
目前常用的方法只能将阻力减小70％左右,而且工程应用的难度较大,在关注传统减阻方法的同时,学者们一直在努力探索新型减阻方法。从20世纪90年代开始,以美国Myrabo为代表的学者们在高超声速飞行器钝头体前方用高功率激光击穿空气产生高温高压扰动区,并形成空气锥,从而达到减阻的目的。图5给出了实验的纹影照片。
笔者的数值模拟研究结果表明:用平均功率103W量级的脉冲激光,在钝头飞行器和弓体激波之间通过OPD形成准静态波,准静态波区域是一个高温高压区,这个区域对周围流场和前面的弓体激波形成干扰,使得弓体激波演变为斜激波。当准静态波区域的温度和压力分别接近20000K和70atm时,可以减小93％以上的波阻。图6为压力场云图随时间的演化过程,从图中看到,激光能量的点源注入形成高温高压区域,显著改变波系结构和压力场分布。
4 空间碎片清除
空间碎片的激光主动清除技术,是利用激光将碎片直接烧蚀掉或推离原轨道坠入大气层烧毁。激光推进在这一领域的应用,是国际专家的普遍共识。与其它方法相比,地基激光清除空间碎片技术的特点是,整个硬件系统建设在地基,便于维修保障、运行成本低、没有化学污染和电磁干扰,而且支撑性技术大部分技术成熟度较高,工程化进程可以相对短些。
从20世纪90年代开始,以美国为代表的西方发达国家就已经在空间碎片的激光主动清除方面做了大量研究工作,NASA和USAF资助的ORION研究计划最为著名。ORION方案采用平均功率为30kW,波长为1.06mm的铷玻璃激光器,激光器输出能量为15kJ,重复频率为2Hz,发射口径为6m,采用自适应光学系统。整个激光系统建在高山上以减少激光束在大气传播中引起的衰减,能清除1500km高度上的碎片,图7给出了ORION系统的组成示意图。
参考文献
[1]Bohn,W L.Private communication, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,China,2002.
[2]Cramer J G.Laser Propulsion and the Four P"s[EB/OL].[2009-07-20]..cn/qkpdf/kjdb/kjdb201124/kjdb20112409.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文
