ToughSF

2017年3月2日 星期四

激光发射入轨：Laser Launch系统解析

在本文中，我们将探讨激光发射系统，分析它们的外观和性能，以及它们如何应用于进入轨道及更远的太空。

激光发射的优势

140GHz是微波。

一个典型的火箭引擎做两件事：输送推进剂，并使用能量源加热它。在化学燃料火箭中，推进剂是可燃的，并在燃烧室中燃烧。由此产生的热量和气体既是推进剂又是能量来源。在核热火箭中，推进剂是惰性的，核材料用于加热它。电火箭使用内部动力，源自核反应堆或太阳能电池板，以使用静电或电磁效应来加速惰性推进剂。

你认为喷嘴内的气体的温度是多少？

火箭的性能受到传递给推进剂的能量的限制。这指的是燃料（如液氢或煤油）燃烧释放的能量，核反应堆堆芯释放的热量，或传递给电火箭的电量。然而，火箭燃料的能量是有限的，并且对核堆芯在开始熔化之前能达到的温度有严格的限制，或者必须设计得更大更重。电引擎的比功率相当低，火箭消耗的能量越多，用于产生能量的质量就越多。液体燃料火箭是一种成熟的技术，几乎已经达到了化学性能的极限。例如，SSME Plus设计用于467秒的Isp（4580米/秒的排气速度），而Rocketdyne AEC引擎的Isp为481秒（4718米/秒的排气速度）。这非常接近液氢和液氧的理论最大值（约500秒）。如果想要再提高一点，则需要不切实际的氟化物氧化剂。核火箭可以突破这个限制，但固体堆芯设计的测试表明，在高推力水平下Isp较低，或者在高Isp下真空中的推力较低。气体堆芯火箭可以提供高推力和高Isp，但它们需要数十年的研究。电火箭也有类似的问题。太空中的核反应堆非常重，而太阳能电池板无法提供足够的能量来将火箭从地球上抬升。解决方案是将能量源与宇宙飞船分离。

一种Skylon变体，其中用于加热氢推进剂的能量由激光束提供。

激光束可以将地面上数千吨发电厂的输出功率传递给引擎，而无需额外成本。虽然具体情况取决于所使用的设计，但激光动力火箭的性能范围从700到10000秒不等，除了激光功率水平外，没有上限。高Isp和不需要车载反应堆、核材料或易挥发化学品的大功率引擎的结合，使得火箭体积小、价格便宜且安全。进入轨道的每公斤价格可以控制在每公斤1到100美元，从而开辟了进入太空的途径。

要解决的问题

当然，进入太空的火箭不能携带连接到地面的电线来传递能量。地面上的发电厂产生电力，这些电力用于驱动激光发生器。然后，光束聚焦在宇宙飞船上，在那里，引擎直接使用激光能量，或者间接将其吸收为热量。

在火箭中使用激光功率的四种粗略方法

发电厂的电能和宇宙飞船的引擎之间的中间步骤会造成效率损失。最大的损失来自激光本身。激光发生器是一种效率非常低的技术。传统的激光器，如固态激光器，效率约为25%。纯二极管激光器可以达到60%以上的效率，但无法产生强烈的脉冲。脉冲激光器必须依赖闪光灯泵浦技术，其效率仅为0.1%到5%。

切割机的光纤激光器配置。

光纤激光器通过光纤将数百个微小光束连接成一个较大的光束，具有高效率、高耐热性和高脉冲功率输出，因此是激光发射系统的最佳解决方案。

另一个损失来源是激光束穿过大气层。其中一部分被吸收。用于将激光聚焦在宇宙飞船上的最佳波长（如紫外线（<400纳米波长））无法穿透大气层。光学波长（700到400纳米）和红外到微波波长（700纳米到1厘米）具有狭窄的“大气窗口”，它们可以在不被快速吸收的情况下穿过空气。即便如此，当激光束穿过数十公里的水蒸气和各种气体时，仍然会损失几个百分点。

“大气窗口”波长

如果存在厚重的云层，光学波长将无法穿透。微波束是唯一的解决方案，因为它们受云层和水蒸气的影响最小。

激光发射火箭需要大量能量。生成多吉瓦的激光束需要昂贵的硬件，而且需要很多。在第一枚火箭发射之前，你还需要建造地面设施，如定制的能量存储、微型电网、大型激光聚焦阵列等等……这种前期投资可能难以找到愿意为此付费的个人或组织。

相比之下，传统的火箭每次任务只需要建造一个助推器。这些成本专门针对他们需要完成的任务。与激光发射设施相比，地面安装非常少。

一些激光动力火箭设计要求激光脉冲在精确的时间和地点击中小目标，并具有正确的焦耳数。虽然可以使用车载镜来完成精细的瞄准，但仍然需要地面聚焦阵列来跟踪宇宙飞船在各种高度和速度下的运动。最大的问题是，由于大气畸变，激光并非严格地沿直线穿过空气。需要自适应光学和某种引导激光和反馈回路，这些设置起来很复杂，并且可能无法达到所需的精度。

激光发射设施的描述。

总而言之，激光发射能力必须补偿设备效率低下和大气吸收造成的各种损失。它必须产生高质量的光束，在所有情况下都能穿透大气畸变和天气影响击中目标。在此期间，必须管理电力供应和冷却。这意味着由于所需昂贵设备的数量巨大，前期成本非常高。

参考设计和比较

进入太空是困难的。根据飞行剖面，需要9.5到11公里/秒的deltaV才能到达近地轨道。由于实现此deltaV的方法多种多样，我们将使用一个参考设计，我们可以将激光发射方法与之进行比较。我们的目标是将10吨重的载荷送入轨道。

估算引擎质量很困难，因为更多的推力意味着更重的引擎，需要更多的推进剂，从而导致更多的推力。估算油箱质量甚至更复杂，因为它们会随着体积而变化。为了消除数百小时的迭代计算的需要，一旦推进剂需求计算出来，我们将追溯地将所需的有效载荷质量转换为结构、油箱和引擎质量。

使用煤油-氧气在较低阶段以300s Isp，液氢-氧气在较高阶段以420s Isp的化学燃料火箭可以使用23.6吨LH2/LOx和121吨Kerolox到达轨道。总质量为155吨。上级的deltaV为5000米/秒，下级的deltaV为4500米/秒，总计9500米/秒。总体质量比为15.5。

激光动力火箭必须以更低的质量比进入轨道才能具有竞争力。

设计方案

激光光帆

在该设计中，激光产生的光束被用作“推进剂”。具体来说，光子的动量被用作推力。出于我们的目的，我们必须忽略这种设计，因为光帆产生的推力永远无法合理地克服重力并将火箭从地面发射。如果航天器已经在轨道上，它可能会很有用。

烧蚀激光推进

烧蚀激光推进研究的测试装置配置。

脉冲激光器将其能量集中在短时间内。当脉冲激光器击中目标表面时，它们可以足够快地加热该表面以使其爆炸。

在受控的情况下，烧蚀激光推进使用爆炸性加热材料的力作为推力。最简单的配置是一块金属或塑料推进剂，其一个面暴露于激光。强大的激光爆炸“烧蚀”此表面，产生推力。它通过将材料暴露于每平方米十万亿瓦特的脉冲来做到这一点，这些脉冲立即将固体转化为10000K等离子体。

Isp较低，大约200秒左右。这是因为推进剂必须足够“坚韧”才能支撑自身的重量和像锤子一样击中它的推力。在这种情况下使用金属推进剂。另一个问题是，超短（纳秒级）脉冲会通过电离激光穿过的空气来影响空气，从而产生问题。

实验性能。请注意Isp如何随激光强度而变化。

在真空中，没有大气层的阻碍，可以实现更高的Isp。实验测试表明，使用金基推进剂可以实现3660秒的Isp。

使用这种设计进入轨道非常困难。低Isp版本可以承受强烈的加速度，但要求宇宙飞船是一个金属推进剂金字塔，有效载荷位于顶部。通过使用化学动力第二级来处理圆形化，可以大大改进该设计。优点是设计的极端简单性和坚固性。它非常适合高G发射（如快速响应的洲际弹道导弹拦截器）和小规模应用，如机动推进器。它们的有用性在真空中增加。

缺点是它们对激光如何在目标表面上分布以及推进剂如何均匀烧蚀非常敏感。需要外部控制，例如空气襟翼，以消除材料中的缺陷并转动火箭。如果这些没有得到纠正，并且目标的一侧比其余部分燃烧得更快，那么推力传递中的不平衡很容易使火箭翻转。

双脉冲激光烧蚀

一个稍微复杂的解决方案是使用两级脉冲烧蚀固体推进剂。

来自《High Frontier》棋盘游戏。

第一个脉冲通过将烧蚀材料加热到汽化温度，以低功率“刮掉”一些烧蚀材料。对于塑料推进剂，这可以低至400K。大多数金属的汽化温度都在1000到1500K之间。

第二个脉冲将这种材料加热到令人难以置信的温度。它可以做到这一点，因为激光能量传递得太快，以至于材料无法以任何方式辐射、传导或消散它。可能会达到数万开尔文，这比太阳表面还要热。

被8GW/m^2脉冲击中的水、乙醇和己烷。

由两级脉冲加热的烧蚀材料可以提供高达5000秒Isp或更多的性能。这允许非常小的火箭在单个金属圆盘堆叠上高效地进入轨道。由于等离子体加热是在远离金属表面的地方进行的，因此推进剂干扰传入激光束的风险较小。

然而，除了单脉冲版本的限制外，双脉冲设计还需要更精确的激光传输。第二个脉冲必须在来自第一个脉冲的碎片开始膨胀时到达，这需要精确的计时。与单脉冲设计相比，效率也受到影响。

颗粒烧蚀推进

受聚变研究尝试和核脉冲推进的启发，ToughSF 提出了一种创新解决方案，即使用涂有石墨的小固体颗粒。

推进剂颗粒被机械地喷射到推力室中。强大的激光脉冲聚焦在该颗粒上，导致其加热、电离和爆炸。推力由喷嘴内快速膨胀的推进剂产生。

它类似于惯性约束聚变引擎设计……没有聚变。

与它的灵感来源不同，能量是通过外部传递的，而不是通过核反应传递的。它没有最小颗粒尺寸，唯一的标准是激光必须足够强大才能快速加热颗粒。这允许平滑且易于变化的推力。激光可以从任何角度到达，并且对脉冲速率没有上限。预计与双级脉冲烧蚀激光推进相同的性能水平，甚至更高。除了塑料聚合物或金属外，冷冻氢可以用作推进剂。较低的原子质量允许排气速度的平方增加。石墨涂层解决了氢气的激光吸收问题，氢气对光相对透明。如果在此处提到的实验设置中使用金（原子序数79）可以实现3600秒的Isp，那么使用氢（原子序数2）可以实现560万秒的Isp。

优点包括与两级烧蚀相比更好的能量效率、更简单的设计，对激光精度和计时的要求更低，以及可以随时更换推进剂材料的灵活性！从技术上讲，可以使用任何加热机制。如果粒子束的效率更高，则可以使用粒子束代替激光。一个缺点是较小的颗粒尺寸在其质量中所占的石墨壳比例过高。它适用于较大的脉冲能量和较大的颗粒。

激光加热等离子体推进

这些设计不使用固体目标进行激光照射。气态推进剂只是被加热到数千度，变成等离子体。

一个有趣的版本是使用火箭周围的大气空气作为推进剂。一个也充当喷嘴的镜室将传入的激光束聚焦到火箭下方的狭窄环中。空气加热并电离，变成等离子体。作为等离子体，它开始非常快速地吸收激光能量。这会产生一种超热的离解氧气和氮气波，这些气体快速地远离激光的焦点。当该波击中喷嘴时，就会产生推力。连续波激光器将需要涡轮机或冲压式进气口将新鲜空气输送到气室内。脉冲版本可以简单地等待冷空气漂移到位。

这种设计的主要优点是火箭在大气中不需要车载推进剂。实验设计表明，可以“免费”实现10马赫的速度。这比猎鹰9号火箭的第一级产生的deltaV的两倍还要多（3000米/秒对比1666米/秒）。这将使火箭非常经济。它在较低的大气层中最有效，效率会随着高度的升高而迅速下降。

在高层大气和太空中，火箭将从外部空气切换到内部推进剂。液氢提供最高的Isp，但需要在推进剂流中混合微小的碳屑，因为氢气对光学和微波激光非常透明。即便如此，使用激光直接加热氢气仍然很困难。

一个令人担忧的问题是，大型液氢推进剂箱会干扰能够达到10马赫的流线型火箭的设计。使用密度更高的推进剂来实现更小的横截面可能更有趣。排气速度的降低将通过在大气中获得的更多“自由”deltaV来补偿。另一个令人担忧的问题是激光精度。在大气中，激光必须直接指向上喷嘴，随着航天器倾斜并开始水平加速，这样做变得更加困难。在真空中，激光必须以推进剂退出的相同方式出现，这是一个令人担忧的点。

激光热火箭

这是第二简单的激光动力火箭设计。

这种形状最大限度地增加了地面激光的目标区域。它可能是一种升力体。

在该设计中，激光的能量间接地施加到推进剂上。使用中间换热器。

如图所示，激光瞄准一个接收器，该接收器将光束的能量吸收为热量。该热量通过常规外观火箭室内的热交换器传递到推进剂。

主要优点是，将光束指向火箭上的大表面非常容易。较低的精度要求意味着可以使用较小的聚焦镜，并且如果不太聚焦的光束偏离目标，则危险性较小。该设计还允许灵活地配置推进剂流量，因为激光接收器独立于热交换器和加热室。

但是，存在限制。首先是可以达到的温度。虽然脉冲直接能量设计很容易达到数万到数十万开尔文，但间接设计的温度不能高于热交换器可以承受的温度。如果热交换器由钢制成，则无法将其加热到1800K以上，如果它是碳基的，则限制为3800K。实际限制要低得多，因为固体在接近熔点时会迅速失去强度。

这样的温度并不比传统的液氢/液氧火箭产生的温度（3500K）高很多，实际上可能更低。使用较轻的推进剂，如纯液氢，可以实现的最高Isp约为1000秒。通常，它介于600到800s Isp之间。另一个限制是总体效率。激光热火箭不仅要加热推进剂，而且必须使接收器、冷却剂回路和热交换器保持在最佳温度，尽管存在辐射和传导损失。移动冷却剂会消耗能量。大型接收器表面也不具有很强的空气动力学性能。

激光热火箭不是最高效或最简单的激光动力火箭设计。它无法实现令人难以置信的排气速度或提供“自由”deltaV。然而，它是最容易理解的设计，也是最便宜的构建方案。它最擅长为火箭发射产生高推力，并且对发射设施的精度、激光类型或功率输出施加的约束最小。

我们能做什么？

激光发射设施可以轻松地将进入太空的成本降低一千倍。为了使这种基础设施的建设和使用更容易、更便宜或更有用，我们可以：

-使用激光热火箭

它们是最实用的设计，可以产生巨大的推力。许多例子已经被建造和飞行，尽管规模较小。经过验证的技术是确保项目投资的最佳方式。

-使用两级设计

从长远来看，单级入轨、完全可回收的激光热火箭比两级入轨火箭更便宜。然而，SSTO需要更高的Isp，每千牛顿的推力需要更多的兆瓦，并且需要质量优化成本高昂的更脆弱的结构。换句话说，SSTO的优势（如更低的推进剂负荷、更好地利用引擎和完全可回收性）并不超过TSTO的优势。SpaceX部分可回收的TSTO火箭的最新成功尤其突显了这一点。SSTO激光热火箭必须在某种程度上针对高压和低压环境进行优化，这效率不高。激光束必须在更远的距离上跟踪它，这意味着更大的聚焦镜和更大的大气损失。更糟糕的是，火箭在运行结束时将具有非常高的水平速度，因此激光必须以每秒1度或更高的不可忽略的旋转速率跟踪它。这两个要求导致了一个庞大、昂贵且电动的聚焦阵列。

激光跟踪轨道中的目标，在本例中，是一块碎片。

无论如何，火箭都必须在行星的另一侧使用圆形化燃烧来稳定其轨道。它必须在内部动力下这样做，很可能是化学火箭。

那么为什么不使用完全化学动力的第二级呢？第一级是激光热助推器，它靠近激光发射设施，以减少光束损失以及精度或跟踪要求。第二级是独立进入轨道的常规火箭。

-使用模块化激光器

可以根据需要逐个添加到激光阵列的一体化激光单元的示例。

建造一个具有足够容量以在未来保持有用性的单个大型激光器非常昂贵。使用小型模块化激光器要容易得多，只有在需要额外容量时才能将它们添加到激光阵列中。这会将成本从前期投资分摊到随着时间的推移而逐渐增加。

模块化激光器如今已经存在，将数十甚至数百个光束聚焦在一艘宇宙飞船上并不比聚焦单个光束困难得多。它们还通过冗余提供了一定程度的安全性：如果一个模块化激光器出现故障，宇宙飞船仍然会接收到99%或更多的所需激光功率。

通过使用数百个激光器，发射设施可以部署更便宜或更新的激光器，这些激光器的故障率在单个大型激光器中是不可接受的。大规模生产数百个小型物品而不是一次生产一个物品也会带来显着的规模节省。

-使用高效的光纤激光器

光纤激光