激光热推进理论与数值分析

**部分 第1章 概述 1.1 激光推进的发展背景 高功率激光及其空间传输技术出现后，激光辐照热喷气效应被引入宇航领域。据学术界溯源[1]，激光推进火箭的概念首先由美国的 Kantrowitz在1971～1972年提出：高能激光辐照化学惰性的推进剂引发喷气，产生比传统化学火箭推进更高的比冲。例如，采用纯 H2等小分子量物质作推进剂，加热到化学火箭发动机的燃烧温度就可获得1000s左右的比冲。这种具备高比冲和潜在的结构简单性特征的新火箭概念，在阿波罗计划取得巨大成就所引发的美国人对航天探索的热情与自信大潮中冲上了浪尖。Kantrowitz创立了 AVCO Everett Research Laboratory(AERL)，其后由 AVCO的科学家创建了 Physical Science Inc.(PSI)，在20世纪七八十年代持续掀起两次研究热潮[1-4]。 自1997年11月起，美国伦斯勒理工学院( Rensselaer Polytechnic Institute)的 Myrabo组织了一系列乘光飞行器技术验证机(lightcraft technology demonstrator，LTD)演示实验[3]。其使用美国白沙导弹靶场的电子束激励脉冲 CO2激光器，平均出光功率为10kW，脉宽为18～30μs，单脉冲能量*大为450J左右，重复频率为25Hz。1998年，采用纯大气呼吸模式的 LTD飞行高度达到30.2m。后为降低飞行器壁的温度和增大推力，在推力室内表面环状焦点位置粘贴了聚甲醛(一种高分子聚合物，常温下为固体)。2000年10月，直径12.2cm、质量约50.6g的固体烧蚀火箭(solid ablative rockets，SAR)自由上升至71.1m高度，飞行时间为12.7s。尽管上述事件实际是20世纪80年代美国战略防御倡议办公室( strategic defense initiative office，SDIO)激光推进项目的小尾音，却引发了世界范围的激光推进研究第三次热潮[5，6]。 为使读者理解本书对侧重点的选择，有必要再介绍20世纪七八十年代美国的研究状况。 1.1.1 激光推进研究的早期岁月 对这部分历史的综述来自文献[1]和文献[4]，代表性研究见文献[7]～文献[12]。 20世纪70年代探索了许多激光推力器的概念和激光发射方法，主要研究用于演示验证概念可行性的推力器设计和构型。设计的主要差别是由激光器的具体规格、推进剂中吸收激光能量的位置不同造成的。主宰性能和设计要求的有三个特征：一是会聚激光能量的光学；二是稳定的激光能量吸收区的位置；三是推进剂供给流率。由于无法预见未来大功率激光器的工作体制，对脉冲和连续激光推进都开展了研究。而限于当时的条件，主要采用波长为10.6μm的 CO2激光器开展实验研究。 1972年，AERL的 Pirri等[7]进一步细化了 Kantrowitz关于激光推进的想法，提出三个重要技术问题：**，激光辐射能转化为推进功的过程(吸收、加热、膨胀)效率；第二，脉冲能量、脉宽、波长、外界大气压强、推进剂的组合，以使效率*大化；第三，激光推进火箭的结构优化。同时，给出若干建议：其一，激光辐照强度应产生强吸收等离子体，采用喷管增大耦合系数；其二，在大气层内飞行段可采用激光供能的冲压发动机模式；其三，在大气层内推进，脉冲激光有利于提高效率。 1977年，AERL的 Chapman等[8]研究从地面将1t重的航天器送入地球同步转移轨道的激光火箭发射系统与技术问题。主要方案是采用总功率为 GW级的集束式脉冲激光器、激光驱动爆轰波的脉冲喷气发动机，对光束定向系统技术给出描述，优化上升轨迹与比冲。指出500～1000s比冲对于发射航天器入轨有利。 1977年，PSI的 Simons和 Pirri[9]研究脉冲激光束在铝质旋转抛物面形喷管中聚焦的构型。当时研究者认为，对于连续波激光，在喷管中聚焦的构型*简单，但是可能面临吸收区不稳定问题。喷管聚焦的重复脉冲( repetitive pulse，RP)激光推力器可以调节激光脉冲频率与吸收振荡同步，从而优化性能。使用脉冲 CO2激光进行的单脉冲和重复多脉冲激光推力器实验的推力器长度约为8in(1in=2.54cm)。起初使用锥形喷管，以消除光学聚焦的影响，专注理解推力器性能；后来改用抛物面形喷管，用空气作为推进剂，多脉冲能量转换效率接近50%。 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)主要关注采用外部光学镜聚焦的火箭推力室构型。用脉宽为100μs的 CO2激光脉冲模拟连续波激光辐照固体推进剂棒，发现效率很低：固体气化物对激光的吸收非常之少，激光束基本上仅仅是将固体推进剂气化而已。 NASA的研究人员相信，要获得高比冲，只能用连续波激光对喷管喉部上游的气体进行加热。1976年～1978年，PSI的 Kemp等[10，11]发展的计算模型预示：将氢作为推进剂，等离子体区的温度高达数万开尔文，比冲超过2000s。1977年，AERL的 Legner等[12]研究了连续波激光推力器，采用超声速气动激光窗口密封加热室中的高压气体，用添加1%Al2O3的水作为推进剂。 早期实验和分析研究的技术问题归结如下。 (1)理解通过外部能量吸收方式的推进原理。激光推进中出现新参数：冲量耦合系数，它与比冲的乘积正比于过程的综合效率。 (2)光学与流体力学耦合在一起，对光学聚焦性能要求和流体膨胀性能要求的折中依赖于所使用的激光器类型。 (3)推进剂的选择和它对激光辐照的吸收特性，在推力器性能中起着决定性作用，因为它直接影响加热区的稳定性。吸收区的稳定性以及它对等离子体加热区吸收系数变化的依赖性需要得到证实，以明确推进剂选择的简化是激光推进概念的一个主要特征。 到了20世纪70年代末期，美国军方对大功率激光器的研究兴趣下降， NASA忙于研制航天飞机，激光推进研究的热情衰退。 1.1.2 第二波激光推进研究热潮 对这部分历史的综述来自文献[2]和文献[4]。20世纪80年代中期，美国出现三个使激光推进研究复苏的因素：**个是自由电子激光器(free electron laser，FEL)的发展；第二个是高能激光武器带动的大气传输校正、大型光束定向器和其他相关技术的发展；第三个是拦截弹道导弹的动能拦截器( kinetic kill vehicle，KKV)的发展和隐含的大量发射任务需求。 1986年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室( Lawrence Livermore National Laboratory， LLNL)正发展感应直线加速自由电子激光器，目标功率为10～100MW。同时，一部分成员在探索激光推进，目标定为近期可实现的概念和小型的发射入轨运载器技术，轨道机动放在次要位置。1986年夏天，美国 SDIO与国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)策划举行了激光推进工作会议。会议研讨的部分结论是：*有希望的激光推进模式是*先由 AERL的 Reilly提出的双脉冲平面烧蚀推力器；*有希望的运载器构型是一个平面推力器占据锥形飞行器的整个底部。 双脉冲平面烧蚀推力器具有胜过其他方案的三个优点：**，连续波激光推力器需要复杂的飞行器，难以将其推力放大到用于发射的水平(轨道机动推进则仅需要很小的推力)。在发射系统的尺度上，推力室激光窗的要求超出了已知技术。另外，连续波激光推力器与感应型线性加速自由电子激光不相容。第二，单脉冲烧蚀被预测认为在对航天发射有利的比冲范围(600～800s)内效率低(尽管在比冲超过2000s以后可能效率高)；生成高效率的单脉冲等离子体需要比双脉冲更高的光强，迫使运载器携带光束聚焦镜。第三，除烧蚀推力器之外，更复杂的激光推进航天器(如阿波罗乘光飞行器)需要发展更大和更先进的基础设施(如在轨道上布设多个 GW级功率激光器)。 固体推进剂平面型推力器有三个预期的关键优点：**，极端简单；第二，加速度(推力)矢量与激光束矢量无关，推力方向可以与激光束方向成大角度；第三，地基控制，只要改变激光束的轮廓就可以操纵飞行器。第二点对于实际运载器特别重要，否则入轨将受到极大限制。这样的激光推进发射系统几乎就等于推进剂加上顶部的有效载荷。对这种简单性的追求导致 Kantrowitz归纳出激光推进的4P原理：激光器应该只发射载荷( payload)、推进剂(propellant)、光子( photon)和间歇周期( period)。 LLNL被指定负责发展五年期的20～100kg载荷发射能力的激光推进火箭技术项目。初始的研究工作部署如下。 (1)有两个双脉冲推进理论研究组，分别在物理科学公司和海军研究实验室。 (2)有三个小规模的双脉冲推进实验研究组，使用能量为10～100J、为50～100ns的脉冲 CO2激光器，分别在物理科学公司、 AERL(由 Reilly领导)和光谱技术公司开展。 (3)在 LLNL开展吸气式激光推进、弹道和系统建模工作(由 Kare领导)。 (4)伦斯勒理工学院的 Myrabo领导开展更近期的、缩比的多推进模式乘光飞行器研究。 (5)斯坦福大学开展爆轰波膨胀和推力产生的计算研究。 (6)Lehigh大学开展1.06μm波长的激光照射固体推进剂的研究，测量烧蚀和等离子体发生特性。 (7)华盛顿大学研究 CO2高能(500J)激光的单脉冲、双脉冲烧蚀实验。 到1987年工作会议召开时，主要研讨话题是优化双脉冲推进的多个特性：浅烧蚀深度、即时等离子体点火、良好的激光支持的爆轰波传播以及低的冻结流动损失。在适合于运载器的脉冲宽度、光强范围内，点火、传播和化学复合问题非常关键，特别是稍微的点火延迟和表面屏蔽等离子体的生成会导致很大的“下滴”损失——被烧蚀的推进剂速度低，不产生显著的推力。 为了增强点火，物理科学公司建议在推进剂中嵌入亚波长尺寸的铝片， AERL的 Reilly建议在推进剂中嵌入半波长宽度的金属丝来创造一种可调整的点火阵列型推进剂。 Delrin塑料(聚甲醛)被确认是一种很好的候选者，它在10.6μm波段具有很强的 C—O键吸收(后来测量表明吸收深度小于2.5μm)，并且只含轻元素。然而模拟研究表明，在推进剂中添加一种容易离子化的成分将改善激光支持的爆轰波特性。将钠的代换物(CH3(CH2)2COONa)添加到 Delrin的尝试没有成功，但是物理科学公司将4%的这种钠的代换物添加到与 Delrin相似的塑料——Celcon中获得成功。也测试了其他不同波长尺寸形式的金属添加剂，包括5μm直径、2μm厚的铝片，用银包裹的微圆球(银大约只占微圆球体积的1/1000)。实验中使用银包裹的微玻璃球，将其以接近20%的比例添加到 Celcon中，使单脉冲烧蚀质量减少到1/10。实验表明上述方法能缩短 Celcon在大气中的点火时间并降低表面屏蔽效应。另外，到项目结束时尚未实验验证其效果的添加剂包括：50%的钠基丙烯酸甲酯，30%的甲基丙烯酸甲酯，15%的碳粉(为了光学吸收目的)和5%的铝片。 此次会议另外两个有趣的**为：**次清楚地观察到使用双脉冲增强比冲和效率(PSI数据)；**次公开现今大家熟悉的 Myrabo塞型尾部乘光飞行器构型。 会后两个关键的优先实验确定为：**，更大规模的实验，用足够长的脉冲，使脉冲持续到等离子体点火瞬变过程结束；使用足够的能量，达到接近一维膨胀的条件。第二，重复脉冲实验，达到稳态的推进剂表面条件，测量