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国内外激光推进系统技术发展状况分析

2014-02-21 11:07
潇纵
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  激光推进系统中工质与激光能量分离,光船与地面能量系统(激光器和光束发射与控制系统系统)分离。激光推进系统与传统化学推进系统相比,具有比冲高、有效载荷比大、推进参数调节范围大,发射成本低,无环境污染,激光器可重复利用等优点。激光推进技术与现在广泛应用的化学火箭推进技术无论推进原理、能量转化方式,还是系统组成和应用体系上都有本质不同。化学火箭发动机理论上可达最高温度为4000~5000K,燃料中氧化剂的分子质量大,比推力上限为4000~5000N.s/Kg。

  当前化学推进技术还存在很大的缺陷,主要表现在:

  ①可靠性不高,飞行可靠度小于0.99;

  ②推进剂的质量占运载器总质量的90%以上,有效载荷仅占1%左右,价格昂贵,运输费用高,低轨道单位质量有效载荷约11000~22000美元/kg;

  ③发射运转模式复杂,不易操作,发射准备周期长;

  ④许多主力火箭使用有毒、有污染的推进剂。

  对比之下,激光推进技术的优势为:

  ①降低了发射成本,提高了发射的可靠性和成功率;

  ②采用无毒推进器,本身不会造成对大气环境污染。随着激光功率的提高,可以成倍地提高运载能力;

  ③特别适合作为小卫星和许多轻型飞行器的推进系统,并且能够多次使用,发射灵活,无需长周期准备,可用于应急通信、军事侦察等卫星的快速发射;

  ④激光推进还可应用到卫星姿态调整和清除太空垃圾等领域。

  ⑤具有比冲高、比推力大、有效载荷比大、推进参数调节范围大的特点。

  ⑥理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限,这在深太空探测中具有重要意义。

  激光推进可产生10000~20000K 的高温,推进剂分子质量小,比推力可达20000N.s/Kg。并且理论上激光推进系统可以超越每一级化学燃料火箭推进速度的上限,这在深太空探测中具有重要意义。

  随着激光技术的发展,大功率激光器技术日益成熟,使得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阔的应用前景,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、飞行器姿态调整、飞行器轨道机动以及近地轨道发射乃至深空飞行任务等领域。激光推进技术应用前景广阔,是国内外新型高效航空航天推进技术研究的前沿和热点。

  当前,激光推进器的研究尚属于概念研究阶段。广泛利用TEA脉冲CO2激光器地基发射进行激光推进技术研究,由于受到推进激光功率较低,地基激光器设备庞大,远距离激光引导定向困难,光船设计需要耐超高温材料等问题,使得激光推进技术距离工程应用尚有时日。TEA脉冲CO2激光器应用于激光推进技术时,其光束质量较差、远场发散角较大,电光转换效率低下、发热量较大,激光器体积相对庞大等缺点日益暴露。需要探索新型激光器用于激光推进技术研究。

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