簡介
1997年,在美國新墨西哥州的沙漠裡,一支微型的火箭拔地而起,上升到20多米的高度.當時這個實驗在科學界引起了很大的轟動.看到這裡你也許會覺得很驚奇,是什麼原因使這支還沒有焰火飛的高的微型火箭引起了世人矚目呢?原來是一支沒有安裝任何發動機的火箭飛上了天.到此你也許更加吃驚吧,是什麼把火箭推上了天?是雷射!
歷史
1960年,美國人梅曼發明了世界上第一台雷射器——紅寶石雷射器,至今已40多年.隨著雷射技術的不斷發展,新型雷射器不斷研製成功,雷射技術已廣泛套用于軍事、通訊、醫療、計算機等各個領域.人們想到既然現在的無線電技術已經順利實現了地球與空間飛行器之間的通信,而雷射與微波相比具有波長短、衍射損失小等特點,這種高方向性和高相干性的雷射輻射距離比微波遠得多.如果能將能量以雷射的形式傳輸給火箭發動機作為動力,那么航天飛行器就可以不攜帶燃料而靠地面上的雷射器供給能源,即實現雷射推進,把衛星送入太空.雷射作為發射衛星的新動力是20世紀70年代初提出來的一種全新的推進方式。
如圖1所示.以雷射作為發射衛星的新動力,是因為它具有以下的優勢:
一、雷射推進技術是一種高效的能量注入方式
由於受到產能機制的限制,化學燃料發動機的噴氣速度已經很難繼續提升,因為無論多么劇烈的化學反應都僅僅是蘊藏在原子最外殼層電子的能量的釋放.如果要使單位質量的推進劑攜帶更多的能量,產生更高的壓力,就必須剝離原子更深殼層的電子使推進劑變成高溫高密度的電漿.依靠化學燃料燃燒是不可能實現這個目標的,推進劑的能量只能由外部注入.強雷射脈衝瞬時加熱就是一種高效的能量注入方式.所以與傳統的化學燃料火箭發動機相比,雷射火箭推進器具有許多潛在的優勢。
二、雷射推進技術是減少發射火箭成本的有效方式
由於雷射火箭發動機基本上不用攜帶燃料,所以雷射火箭上所攜帶的中性推進劑或氣體介質只有化學燃料火箭推進劑的1/10,使雷射火箭成本降低並且可以簡化和減少地面發射場上許多昂貴的附屬設備。
三、雷射推進技術能提高有效載荷量
由於雷射火箭的能量幾乎全部由外界提供,所以實用的有效載荷可達到它的發射重量的10%~30%,而傳統的化學燃料火箭的有效載荷與發射重量之比僅為0.10%~0.20%,這就可以大大提高有效載荷量.例如要把1t重的衛星加速到8km/s的第一宇宙速度,用化學燃料火箭至少需要攜帶6.4t的推進劑,而採用雷射電漿推進方法,理論上只需要0.04t的推進劑就夠了。
四、雷射推進技術安全且可靠性好
由於火箭本身不依靠燃燒化學燃料獲得動力,能量主要來自外部雷射束,這樣推進劑完全可以採用不可燃的材料,使火箭結構和製造加工變得簡單,在發射以及使用過程中更加安全可靠。
五、雷射推進技術污染小
目前很多種類的化學燃料及其燃燒後的排放物是有污染甚至是有毒性的,而雷射推進火箭完全可以用清潔無污染的材料作推進劑而不產生任何環境污染。
總之,採用雷射作為能源來代替化學燃料不但可行,而且有著化學燃料無可比擬的優越性.雖然目前雷射火箭推進在技術上還有許多難題,但由於該項技術套用潛力巨大,所以這項研究仍在繼續進行.雷射推進將會給火箭推進技術帶來革命性的發展。