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什麼是“激光推進技術”

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-11-04 09:00:00 來源:光電資訊

“激光推進技術”是一種新概念推進技術,即把激光由熱能變為動能,作為推進工具發射衛星。它的推進性能優於火箭,而且有比較好的機動性、靈活性和可靠性。各航天大國都非常重視這項高端技術,投入大量人力和財力進行研究。

原理簡介

激光推進的基本原理是將遠距離激光能量導入推進器中的推進劑中, 使其溫度急劇升高,形成高溫高壓氣體或等離子體, 然後從噴管中噴射出來, 從而產生推力。

激光推進的實質就是激光與物質的相互作用, 激光推進器的性能主要取決於三個參數:所用工作物質的特性, 加熱室的壓力和激光器的功率。

應用方向

隨著激光能量的不斷提高和航天技術的飛速發展, 激光推進的研究日益受到人們重視 。應用最多的化學火箭發動機理論上可達最高溫度為4000~5000K, 而且燃料中氧化劑的分子質量大, 比推力上限僅為4000~5000N.s/Kg。而激光推進可產生10000~20000K的高溫, 推進劑分子質量小, 比推力可達20000N.s/Kg。由於激光推進可靠陸基或空基激光器遠距離傳輸能量, 從而可增加航空器有效載荷。另外, 激光推進還具有無大氣汙染等優點。

迄今為止, 人們主要熱衷研究激光推進這一發射系統應用於小型人造衛星環地球低軌道飛行和許多較輕的載荷 (比如軍事情報搜集衛星) 快速布放到不同的軌道上。另外,激光推進還可應用到衛星姿態調整和清除空間垃圾等領域。

據國外媒體報道,登上宇宙飛船,拉下控製杆,轉眼之間你就飛越了大半個星系,來到了另一個宜居的類地行星,這些場景在科幻小說中看起來如此輕鬆有趣。而事實上,要離開太陽系需要花上很長的時間。例如旅行者1號探測器,在化學燃料以及許多巨型行星的引力助推下,整整花了35年才離開太陽系。來自UCSB的聖芭芭拉實驗太空研究小組的Philip Lubin似乎已經解決了這個星際難題。

Philip Lubin最近發表了一篇關於星際戰爭進軍路線的文章,他同時也是 “突破攝星”計劃顧問委員會的成員之一。當然,他的理念仍有待證實,不過他已經在期待未來20至30年內他將成為星際航行的先驅。

推進之難

如今的航天器的推進裝置多采用化學燃料推進、太陽能推進、核反應推進以及離子推進(利用已聚能的粒子釋放能量),這些推進裝置都足以使航天器飛離太陽系,尤其在工程師們需要利用天體引力來控製航天器的運行方向時更能起到促進作用。例如,旅行者1號探測器需要依次飛越木星、天王星、土星以及海王星,利用它們的引力以獲得離開太陽風層的助推力。然而在太陽系之外,卻並沒有這樣的條件能夠在人類有限的生命裏穿越星系。

激光推進

Lubin解釋說,通過電腦計算模型,我們將很快取得巨大的進展。即使當今火箭技術的發展還較為初級,Lubin卻認為他已經發現了一種能夠使極小極薄的航天器加速到理想超高速的技術,他很有信心未來航天器的發展將超乎我們的想象。他所提到的理論便是激光——一種定向能系統,利用光束力來推進航天器。它的優勢在於:不需要使用燃料,不存在補充燃料的問題;也不需要太陽能,畢竟在太陽系之外太陽能十分微弱。當不再需要使用時,可以隨時丟棄,或者,可以在太空中儲藏起來以供別的航天器使用。

Lubin將他的理念比作超級計算機。超級計算機利用並行計算機來處理多項進程。簡單來說,就是我們的家用電腦通常都有雙核或者四核處理器。“如果可以的話,你會使用許多處理器並行處理進程來提高電腦的運行速度,而不是用一個巨大的圓筒來達到這個目的。”

激光的工作原理與此類似。就是利用許多相對較小的激光束同步、互相協調來完成工作,一束激光小小的推動力通過許多激光的共同作用將變成極大的推動力。如此一來,這項技術能夠使微型航天器獲得不可思議的高速,也許能達到光速的2成。這意味著,我們也許能夠在20年內到達距離我們最近的半人馬座阿爾法星(距地球約4光年)。

激光將帶我們走向何方

雖然,阿爾法星相對來說距離地球比較近,但是,還有許多系外行星距離地球有成百上千光年之遠,它們對我們來說依然遙不可及,但Lubin沒有放棄希望。激光技術的發展將超乎我們的想象,就像60年代時占據了整個實驗室的電子管計算機,由於計算機芯片的誕生,如今小巧而高速的計算機才能進入千家萬戶。

即使我們能夠到達系外行星,仍然面臨一道難關:相對論。就算我們隻要花1秒鍾就能到達2000光年以外的星球,再花1秒鍾回到地球,可此時對地球而言已經過了2000年零2秒,整個地球文明都將產生翻天覆地的變化。Lubin對這個問題也沒有解決方案,但他堅信,激光是航天器未來能夠高速運行的希望。

研究計劃

2006年3月1日,裝備指揮技術學院著力攻關的“激光推進技術”領域某課題研究,通過國家“十一五”計劃立項評審,被正式列入國家“十一五”研究計劃。

裝備指揮技術學院是中國“激光推進技術”領域的總體技術和核心技術牽頭單位。2001年初,該學院女教授洪延姬跟蹤國內外學科發展前沿,對“激光推進技術”進行開創性研究。當時的院領導聽取課題組的論證彙報後敏銳地意識到這一項目的前瞻性和重大價值,果斷成立了“推進技術研究中心”,專門配備實驗室,並協調該院莊逢辰院士給予技術上的指導與協助。

同時,他們打破原有專業格局和行政編製局限,跨系、跨學科進行科技攻關。隨著研究的深入,課題組遭遇技術難關。這時,繼任的院領導以同樣的熱情跟蹤扶持,采取“橫向聯合”的做法,出面協調清華、中國科大、國防科大等軍內外十幾所名校和名師給予支持。一位院領導還將自己多年來的相關研究成果“奉獻”出來,加快了該課題研究步伐。2004年3月,現任領導上任後,又采取特事特辦的做法,從人力、物力、財力上給予傾斜。到2006年初已累計投入數千萬元,保證了這一多學科交叉的全新研究項目不斷取得新突破,達到與國際同步的水平。 

該實驗室從三四平方米擴建到2006年的368平方米,實驗設備從當初的租借、代用到後來的國內一流、配備齊全;人員從過去三五個人的“小組”發展成為眾多名校名師加盟的創新團隊。截至2006年3月,該項目研究已獲4項國家發明專利。

“激光推進技術”的研究孕育了新的學科生長點,促進了激光技術和推進技術兩個學科的交叉融合,對軍用和民用都具有廣泛的開發前景。

2012年12月7日,中國首個激光推進及其應用國家重點實驗室在裝備學院揭牌成立。這標誌著中國已邁出探索新型高效航空航天推進技術研究的堅實步伐。

實驗室已擁有由中國科學院院士、科技領軍人才和中青年學術專家組成的科技創新團隊,主要開展激光推進應用基礎、等離子體流動控製與推進技術、推進流場測試和診斷技術等方面的研究。

文章整理於網絡平台


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