学文网摘要：激光推进作为一种利用激光能量与工质相互作用产生推力的新概念推进技术，以其比冲高、成本低、快速机动等优点吸引了国内外学者的广泛关注，美国、日本、德国、俄罗斯等国家都掀起了激光推进研究工作的热潮。本文讨论了激光推进的基本概念以及测量方法，还预测了激光推进的发展趋势。对激光推进研究工作具有一定的借鉴作用。
关键词：激光推进 研究 发展趋势
激光推进技术是一种基于强激光与物质相互作用原理的有望实现飞行器近地轨道发射的新型推进技术。与传统的化学推进相比，激光推进的载荷比更高、推进参数的调节范围更大，并且可以超越每一级化学燃料火箭的速度上限。在不远的将来，激光推进技术有希望在空间垃圾清除、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中发挥重要的作用。
1.激光推进的基本概念
激光推进的实质就是激光与物质相互作用，将远距离激光能量导入推进器的推进剂中，使其温度急剧升高，形成高温高压气体或等离子体，然后从喷管中喷射出来，从而产生推力，这种推进严格上称为激光等离子体推进。
激光推进根据激光器的工作方式可分为连续激光推进和脉冲激光推进两种。连续激光推进又称为稳态激光推进，就是将推进剂的势能转化为排出气体的动能时，激光束连续不断的给这一过程提供能源，同时激光推力保持常值。连续激光推进有两个方面的局限：一是由于等离子体在高温下会产生很大的辐射能量损失，并传给喷管壁大量的热能，因此发动机壁要采用特殊耐热材料和冷却措施以防止其在高温下熔化；另一方面是由于等离子体的屏蔽效应将把激光束与推进剂隔离开。由于这两方面的限制，导致连续激光推进可达到的比冲受限；而脉冲激光推进方式由于脉冲能量在瞬时注入，而不是连续不断的供给，可达到的比冲就要高些。所以，脉冲激光推进更受人注目。脉冲激光推进主要分为空气呼吸模式和烧蚀模式两种。空气呼吸模式是将由进气道吸入的空气作为工质，产生激光支持的等离子体爆轰波，从而推动光船前进的推进模式，这种方式不用消耗自身携带的推进剂。烧蚀模式是指激光加热光船自身携带的工质，使其产生高温高压等离子体，经喷管喷出产生推力的推进模式。两种激光推进模式都是通过激光与工质的相互作用，将激光能量转化为等离子体热能，最终转化为光船的动能。
2.激光推进实验常用的测量方法
(1)使用力传感器测量激光推进产生的冲力。
实验表明，当烧蚀推进使用脉宽0.1 ns的激光脉冲时，烧蚀过程产生的冲力的持续时间为1μs；即使脉宽仅为0.1ps，冲力的持续时间仍然可达微秒量级。由于目前的快速力传感器的上升时间可达0.1μs，因此可以使用力传感器直接测量烧蚀过程中产生的冲力，然后将冲力对时间积分，得到激光烧蚀产生的动量，进而得到烧蚀过程的冲量耦合系数。烧蚀去除物质的量一般要通过另外的方法测量，比如使用原子力显微镜。
(2)使用ICCD荧光法测量比冲
首先用ICCD记录一系列不同延迟时间下的烧蚀喷射物的荧光***像；然后根据***像中的喷射物的荧光强度，提取出不同延迟时间下的喷射物前端的轮廓；最后根据不同延迟下的喷射物前端轮廓的变化，计算出喷射物速度和速度角分布，从而得到比冲。由于激光脉冲烧蚀的喷射物可能由高温电离的气态物质、高温的液滴以及固体颗粒等多种成分组成，因此，根据荧光强度确定喷射物前端轮廓，进而计算得到的比冲只能大致反映喷射物的平均速度。这种方法也是不完备的比冲测量方法。
3.激光推进的发展趋势
正是由于激光推进有着巨大的潜在优势，美国、日本、德国和俄罗斯等国家在激光推进领域一直进行着不懈努力。迄今为止已经连续召开了5届的定向能推进国际会议( International symposium on beamedenergy propulsion)，一个核心的主题就是讨论激光推进研究工作的进展和未来发展趋势。国外在激光推进研究方面，基于系统的基础理论研究，提出了切实可行的长远规划。这些项目都是从顶层设计开始，逐步细化深入，美俄日德等国家正在按照自己的研究计划逐步进行深入研究。特别是美国对激光推进研究高度重视，已经做出了非常长远的规划，按照这一发展规划，激光推进技术在2020年左右将逐步走向实用化。NASA和美国空***对激光推进的研究仍然处于揭示激光推进基本原理、形成技术概念和概念验证的发展阶段。美国空***现在对光船研究计划的支持主要集中在能够带来技术突破的应用基础研究方面：
(1)深入研究光学击穿机理、激光支持的爆轰波、激波/流场与激光发动机的相互作用过程；
(2)理解并能定量描述激光推进过程中的能量损失问题；
(3)建立激光推进实验研究结果数据库，数据库能够验证数值模拟结果，并能够为理论研究提供判据。经过国际领域学者们的不懈努力，许多基础问题和技术难题不断被攻克，展示了激光推进的诱人前景。
4.结论
激光推进具有广阔诱人的应用前景，已经是科学家们的共识。研究者们已经对激光推进的工作机理有了比较明确的认识，推进性能的理论、数值模拟和实验研究工作取得了明显的进展。研究者们用实验模型获得的理论和实验研究结果为相关研究工作的深入进行奠定了较好的基础。虽然已经取得了较为丰硕的研究成果，但是由于激光推进研究工作的历史较短，还有很多问题需要研究：
(1)目前的能量转化效率还比较低，还需要深入系统地开展激光推进能量转化机理研究工作；
(2)激光推力器的抗热力冲击防护等研究工作尚处于初步阶段，高能激光辐照作用下的激光动力发动机设计也还处于初步阶段；
(3)连续激光推进研究工作尚处于初步阶段；
(4)需要攻克能够满足激光推进近地轨道发射要求的高能激光器、以及高能激光的传输与控制等关键技术。
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