激光等離子體推進(jìn)中信標(biāo)激光的尋的設(shè)計(jì)

張興強(qiáng),劉國(guó)營(yíng)

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系,湖北 十堰 442002）

激光等離子體推進(jìn)中信標(biāo)激光的尋的設(shè)計(jì)

張興強(qiáng),劉國(guó)營(yíng)

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系,湖北 十堰 442002）

激光等離子體推進(jìn)技術(shù)中，信標(biāo)激光的尋的方法是非常重要的研究?jī)?nèi)容。本文設(shè)計(jì)了三束信標(biāo)激光主動(dòng)尋的光路，其中兩束信標(biāo)激光用于飛行器定位，確保供能激光可以正確無(wú)誤地為飛行器供能。另一束信標(biāo)激光用于導(dǎo)向，指示飛行器的飛行方向。這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以使供能激光器安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定地向飛行器提供能量。這些有意義的工作將為激光等離子體推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供借鑒和參考。

激光推進(jìn)技術(shù)；激光尋的；信標(biāo)激光；尋的設(shè)計(jì)

激光的發(fā)明是人類(lèi)科技史上值得慶幸的大事，它不僅改變了人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)，而且極大地推動(dòng)了激光技術(shù)在許多領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，由此也促進(jìn)了整個(gè)人類(lèi)文明的全面進(jìn)步。自從第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，各類(lèi)激光器、激光放大器和激光元器件等相繼被發(fā)明出來(lái)，各種激光技術(shù)也得到了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)和利用。激光等離子體推進(jìn)技術(shù)就是將漸趨成熟的激光技術(shù)應(yīng)用到航空航天推進(jìn)領(lǐng)域的典型范例。高能激光與較輕的安全工質(zhì)相互作用產(chǎn)生高溫高壓等離子體，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的噴管高速?lài)娚?，?duì)飛行器產(chǎn)生巨大的推力，推動(dòng)飛行器向前飛行。

1 激光等離子體推進(jìn)技術(shù)進(jìn)展

與傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，激光等離子體推進(jìn)實(shí)現(xiàn)了飛行器與能源、能源與工質(zhì)的分離。前者使得飛行器避免攜帶龐大笨重的供能系統(tǒng)，極大地簡(jiǎn)化飛行器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；后者使得飛行器不必?cái)y帶易燃易爆、甚至有毒的推進(jìn)劑。激光等離子體推進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)是激光波長(zhǎng)短、方向性好、傳輸距離遠(yuǎn)、供能方便；比推力高、比沖大、成本低；推力/質(zhì)量比高、有效載荷大；能量耦合系數(shù)大、推進(jìn)效率高；飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、飛行參數(shù)可控性強(qiáng)；無(wú)空氣污染，利于環(huán)保等［1］。自1971年美國(guó)的A.Kantrowitz提出激光推進(jìn)概念以來(lái)［2］，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、日本、德國(guó)等［3-7］先后開(kāi)展該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)的一些科研單位以及科技工作者緊跟世界科技前沿，也開(kāi)展了這方面的科研工作，取得了較好的成績(jī)［8-11］。

激光推進(jìn)可以按照不同的方式進(jìn)行分類(lèi)。利用光子壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)量轉(zhuǎn)換，激光推進(jìn)可分為太陽(yáng)帆和激光帆；利用激光從飛行器中高速?lài)娚湮镔|(zhì)進(jìn)行反推，可分為燒蝕激光推進(jìn)、脈沖激光推進(jìn)、連續(xù)波激光推進(jìn)、熱交換激光推進(jìn)、激光電推進(jìn)、光子激光推進(jìn)；根據(jù)是否利用飛行器自身攜帶的工質(zhì)，可分為大氣吸氣模式和火箭模式。

激光等離子體推進(jìn)技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。無(wú)論是推進(jìn)原理和能量轉(zhuǎn)換方式，還是系統(tǒng)組成和應(yīng)用體系，都不同于傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進(jìn)。查閱國(guó)內(nèi)外激光等離子體推進(jìn)的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的研究?jī)?nèi)容比較集中在高能激光與物質(zhì)相互作用方面，對(duì)激光參數(shù)、激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理、等離子體參數(shù)、推進(jìn)參數(shù)等進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和演示實(shí)驗(yàn)，獲得了較好的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而對(duì)于信標(biāo)激光的尋的研究卻鮮有報(bào)道。因此，本文對(duì)激光等離子體推進(jìn)中信標(biāo)激光的尋的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，以期為激光等離子體推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供思路或參考。

2 信標(biāo)激光的作用

信標(biāo)激光在遙測(cè)、遙感、導(dǎo)向、定位、準(zhǔn)直、測(cè)距等方面起著重要的作用［12］。為了能夠準(zhǔn)確地為飛行器供能，較好的辦法是利用信標(biāo)激光，發(fā)揮其定位和導(dǎo)向作用。激光等離子體推進(jìn)中，供能激光器與飛行器是分離的，由信標(biāo)激光為供能激光器提供飛行器精確的飛行參數(shù)。一方面信標(biāo)激光應(yīng)提供飛行器精確的方位，如飛行器離信標(biāo)激光器的距離；另一方面信標(biāo)激光應(yīng)提供飛行器的運(yùn)動(dòng)方向和速度，以確保供能激光器為飛行器持續(xù)提供能量。前者承擔(dān)定位的作用，后者起著導(dǎo)向的作用。在激光等離子體推進(jìn)中，并非一束信標(biāo)激光用于定位，另一束信標(biāo)激光用于導(dǎo)向就可以使供能激光器為飛行器準(zhǔn)確供能。要實(shí)現(xiàn)持續(xù)供能的目的，一束信標(biāo)激光用于導(dǎo)向就足夠了，但僅利用一束信標(biāo)激光用于定位是不能滿(mǎn)足定位要求的。通過(guò)下面的分析，發(fā)現(xiàn)三束信標(biāo)激光可以同時(shí)滿(mǎn)足定位和導(dǎo)向的要求。

3 激光尋的研究

3.1 激光尋的分類(lèi)

激光尋的本質(zhì)上可以分為3類(lèi)：激光主動(dòng)尋的、激光半主動(dòng)尋的和激光被動(dòng)尋的。激光主動(dòng)尋的是指信標(biāo)激光發(fā)出激光束主動(dòng)尋找目標(biāo)飛行器，獲得飛行器的飛行距離、速度、方向等參數(shù)后，向供能激光器發(fā)出指令，使其向飛行器提供能量。在這種情況下，信標(biāo)激光器與供能激光器是一體化安裝的。激光半主動(dòng)尋的是指利用另外的信號(hào)發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，照射或選定目標(biāo)，供能激光器上安裝的信號(hào)探測(cè)器接收到飛行器的反射信號(hào)后，為飛行器提供能量。激光被動(dòng)尋的是指安裝在飛行器上的信標(biāo)激光器發(fā)射信標(biāo)激光，當(dāng)安裝在供能激光器上的信號(hào)探測(cè)器接收到信標(biāo)信號(hào)以后，指令供能激光器向飛行器提供能量。

在激光等離子體推進(jìn)中，在飛行器上安裝信標(biāo)激光器，不僅增加了飛行器的重量，減小了有效載荷，而且使飛行器結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。在飛行器上安裝簡(jiǎn)單的激光探測(cè)器和信號(hào)觸發(fā)器，比前者更有利。為此，我們以激光主動(dòng)尋的進(jìn)行光路設(shè)計(jì)。

3.2 激光主動(dòng)尋的光路設(shè)計(jì)

3.2.1 一束激光尋的

如果采用一束信標(biāo)激光進(jìn)行工作，其光路如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，信標(biāo)激光器安裝在供能激光器上，兩者光軸平行，信標(biāo)激光束從供能激光器的輸出窗口邊緣發(fā)射，在飛行器上接收供能激光的透鏡窗口邊緣，沿飛行器的飛行方向安裝有一個(gè)信號(hào)探測(cè)器。當(dāng)一束信標(biāo)激光打在信號(hào)探測(cè)器上時(shí)，供能激光束可能供能在以信號(hào)探測(cè)器為中心，以透鏡直徑(或供能激光束直徑)為半徑的圓面上。圖1中只有一個(gè)位置供能激光可以正確供能，在其他位置，供能激光都無(wú)法正確供能。由于供能激光束的高能量和高功率密度，這對(duì)于飛行器的安全來(lái)說(shuō)，可靠性很低。即使供能激光不足以燒毀飛行器，但一束信標(biāo)激光尋的時(shí)，正確供能的可能性非常小。

3.2.2 兩束激光尋的

兩束信標(biāo)激光尋的光路圖如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，信標(biāo)激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，強(qiáng)度變成2I0。通過(guò)分束板透射的光束1，其強(qiáng)度為I0；經(jīng)分束板反射的光束，其強(qiáng)度也為I0，再由全反射鏡反射后，成為強(qiáng)度為I0的光束2。光束1和光束2平行于供能激光的光軸。

信標(biāo)激光的信號(hào)探測(cè)器1和信號(hào)探測(cè)器2分別安裝在飛行器透鏡窗口的左右邊緣，光束1和光束2分別由信號(hào)探測(cè)器1接收和信號(hào)探測(cè)器2接收。當(dāng)信號(hào)探測(cè)器1和信號(hào)探測(cè)器2同時(shí)分別接收到信標(biāo)激光器發(fā)出的光束1和光束2時(shí)，飛行器發(fā)出供能信號(hào)，指示供能激光器提供能量，此時(shí)供能激光器發(fā)出高功率密度的激光束，可以正確無(wú)誤地為飛行器供能。當(dāng)光束1和光束2分別由信號(hào)探測(cè)器2和信號(hào)探測(cè)器1接收時(shí)，盡管供能激光器也能夠正確無(wú)誤地向飛行器提供能量，但飛行器的姿態(tài)正好與剛才的相反，此時(shí)飛行器的飛行方向無(wú)法判斷，下一步供能激光不知道應(yīng)該將能量供到何處。與一束信標(biāo)激光尋的不同，兩束信標(biāo)激光不是漫無(wú)目的的尋的，它可以正確供能。但由于缺乏導(dǎo)向激光信號(hào)的引導(dǎo)，供能激光器不能持續(xù)供能。

3.2.3 三束激光尋的

三束激光尋的光路圖如圖3所示，從圖中可見(jiàn)，信標(biāo)激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后變成強(qiáng)度為3I0的信標(biāo)激光束。由分束板1反射的激光束，強(qiáng)度為I0，經(jīng)過(guò)全反射鏡1反射，成為平行于供能激光光軸方向的光束1，強(qiáng)度仍為I0，由信號(hào)探測(cè)器1接收；透過(guò)分束板1強(qiáng)度為2I0的激光束，由分束板2反射后，強(qiáng)度為I0，經(jīng)過(guò)全反射鏡2反射，也成為平行于供能激光光軸方向的光束2，強(qiáng)度為I0，由信號(hào)探測(cè)器2接收；透過(guò)分束板1和分束板2的光束3，強(qiáng)度也為I0，由信號(hào)探測(cè)器3接收。光束1、光束2和光束3分別由信號(hào)探測(cè)器1、信號(hào)探測(cè)器2和信號(hào)探測(cè)器3接收，光束1和光束2是定位信標(biāo)激光，確保供能激光可以正確無(wú)誤地提供能量，光束3是導(dǎo)向信標(biāo)激光，指示飛行器的飛行方向，這樣供能激光器可以調(diào)整仰角，準(zhǔn)備下一次的持續(xù)供能。

三束信標(biāo)激光尋的光路中，一束信標(biāo)激光對(duì)位成功，另外兩束信標(biāo)激光沒(méi)有對(duì)位；或者兩束信標(biāo)激光對(duì)位成功，另一束信標(biāo)激光沒(méi)有對(duì)位；或者三束信標(biāo)激光都沒(méi)有對(duì)位，功能激光器都無(wú)法啟動(dòng)。由于信號(hào)探測(cè)器1和信號(hào)探測(cè)器2分別位于飛行器透鏡窗口的左右邊緣，關(guān)于飛行器對(duì)稱(chēng)，信號(hào)探測(cè)器3也位于飛行器透鏡窗口的邊緣，但處在飛行器的對(duì)稱(chēng)軸上，三個(gè)信號(hào)探測(cè)器的位置構(gòu)成一個(gè)等角形，不可能出現(xiàn)錯(cuò)誤對(duì)位的情況。特別值得一提的是，如果三束信標(biāo)激光的相對(duì)位置與對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器的相對(duì)位置構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，這與兩束信標(biāo)激光的尋的方式類(lèi)似，無(wú)法引導(dǎo)供能激光器持續(xù)供能。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，其中的一束信標(biāo)激光可以用于測(cè)距。根據(jù)激光測(cè)距儀、飛行器測(cè)速儀等提供的飛行參數(shù)，配合各種自控裝置，可以實(shí)現(xiàn)供能激光的持續(xù)供能。

誠(chéng)然三束以上的信標(biāo)激光尋的也可以實(shí)現(xiàn)供能激光安全、穩(wěn)定、可靠、持續(xù)地供能，但這不僅增加了尋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和可控性，而且提高了運(yùn)行成本。在三束信標(biāo)激光尋的的過(guò)程中，兩束信標(biāo)激光用于定位，保證供能激光器正確無(wú)誤地為飛行器供能，另一束信標(biāo)激光用于導(dǎo)向，指示飛行器的飛行方向，這樣的設(shè)計(jì)非常有利于供能激光器的供能控制。

4 結(jié)論

在激光等離子體推進(jìn)中，兩束信標(biāo)激光由飛行器透鏡窗口邊緣的相應(yīng)信號(hào)探測(cè)器接收，確保供能激光器正確無(wú)誤地為飛行器提供能量；另一束信標(biāo)激光由飛行器透鏡窗口邊緣且處于飛行器對(duì)稱(chēng)軸上的相應(yīng)信號(hào)探測(cè)器接收，為供能激光器指示飛行器的飛行方向，確保其能夠安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定地向飛行器提供能量。這些有意義工作將為激光等離子體推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供借鑒和參考。

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Homing Design of Beacon Laser in Laser Plasma Propulsion

Zhang Xingqiang,Liu Guoying
（Department of Sciences,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The homing method of beacon laser is a very important research content in laser sustained plasma propulsion.The active homing light path of three beams of beacon laser was designed,among which two of them were used for locating the air vehicle so that it could be provided power by the energy supply laser correctly，while the other beacon laser was used to guide the flying direction of the air vehicle.This kind of simple design can make the energy supply laser continuously and steadily provide power for the flight vehicle on the safe side.These meaningful works offer some experiences and references to further investigation of laser plasma propulsion technology.

laser propulsion technology;laser homing;beacon laser;homing design

TN249

A

1008-5483（2113）01-0053-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2013.01.014

2012-12-30

湖北省教育廳科研重點(diǎn)項(xiàng)目（D20102002）；湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BK200919）

張興強(qiáng)（1969-）,男,湖北人,博士,從事毛細(xì)管放電軟X光激光和EUVL光源研究。