高功率激光推進 尤里.A.羅津科夫 9787515923482 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
《高功率激光推進》是施普林格原子、光學和等離子體物理的系列叢書之一。激光物理學是一個特殊的關聯主題，它涵蓋了激光推進領域理論和實驗研究，目的是彌補正規教科書與研究文獻之間的差距，強調激光推進領域的基本思想、方法、技術和結果，為該領域的發展提供了持續動力。
《高功率激光推進》是針對激光推進技術進行的一次真正嘗試，總結了激光推進技術理論和實驗研究成果，討論了激光推進的工作機理、激光推進發動機與飛行器設計，以及高功率激光推進系統，為推進系統的研究和發展提供了指導和借鑒。

作者簡介
尤里·A 羅津科夫（Yuri A Rezunkov，1950年生）是俄羅斯索斯諾維堡光電儀器工程科學研究所的首席科學家，主要研究方向為激光物理、激光光學以及激光輻射與物質的相互作用。
1974年，畢業於列寧格勒理工學院（現聖彼得堡工業大學），獲得空氣動力學和熱力學學位；1977年，獲得博士學位，並加入阿穆爾國家光學研究所索斯諾維堡博爾分院。
尤里·A 羅津科夫發表了多篇不同學科的論文，包括：高功率激光輻射在地球大氣中的傳播、激光防雷系統發展、利用相位共軛技術補償大氣湍流引起的激光束波前畸變，以及高能皮秒CO2激光器研製等。他的論文重點關注激光推進理論和應用技術的發展。他的理學博士論文題目是《基於CHO基聚合物激光燒蝕推進》，並在2006年成功通過答辯。
目前，尤里·A 羅津科夫博士從事激光對光電設備影響的研究。

目錄
第1章 激光推進研究歷程概述
1 1 引言
1 2 激光推進研製的主要階段
1 3 激光推進基本物理過程
1 3 1 激光推進現象通用分類
1 3 2 激光推進發動機基本推力性能
1 4 激光推進通用概念
1 4 1 激光推進發射空間飛行器進入近地軌道
1 4 2 激光推進用於LEO衛星軌道修正
1 4 3 激光推進用於空間飛行器軌道轉移任務
1 5 高功率激光推進原創概念
1 5 1 「4P」飛行器
1 5 2 光船技術演示驗證計劃（LTD）
1 5 3 激光脈衝空間推進——LISP
1 5 4 高功率激光推進系統基本概念設計
參考文獻
第2章 吸氣式和火箭式激光推進基本氣動理論
2 1 引言
2 2 激光推進氣體動力學理論
2 2 1 脈衝噴氣激光推進性能
2 2 2 激光推進火箭在空間的工作情況
2 3 激光推進系統氣體介質激光等離子體點火物理
2 3 1 氣體介質中脈衝激光等離子體點火多級電離模型
2 3 2 激光功率轉化為等離子體溫度的效率
2 4 激光推進非穩態與非定熵氣流數值計算
2 4 1 脈衝噴氣激光推進理想氣流模型和數值演算法
2 4 2 平衡態（熱）等離子體模型
2 4 3 脈衝噴氣激光推進非平衡等離子體模型
2 4 4 不同等離子體點火模型應用討論
參考文獻
第3章 固體材料激光燒蝕與激光推進
3 1 引言
3 2 激光燒蝕推進經歷的物理現象
3 2 1 高熔點和低熔點材料蒸發的基本概念
3 2 2 激光燒蝕推進簡化氣體動力學模型
3 2 3 激光燒蝕固體靶材「爆炸吸收」等離子體點火模型
3 2 4 激光輻射與電離氣體（氣態等離子體）氣體動力學模型
3 3 固體靶材結構對激光燒蝕推進的影響
3 3 1 直接激光燒蝕推進
3 3 2 綜合激光燒蝕推進
3 3 3 多層結構靶材受限容腔激光燒蝕推進
3 4 基於高能聚合物的激光燒蝕推進
3 4 1 激光輻射下CHO基聚合物蒸氣基本等離子體-化學反應過程
3 4 2 基於聚合物推進劑激光燒蝕推進的簡化原則
3 5 基於CHO基聚合物激光燒蝕推進半經驗模型
3 5 1 激光燒蝕推進氣體動力學
3 5 2 用臨界激光功率通量描述激光燒蝕推進的蒸發與等離子體模型
3 6 基於CHO基聚合物激光燒蝕推進效率
參考文獻
第4章 宇航激光推進發動機
第5章 超聲速激光推進
第6章 超聲速激光推進
第7章 空間激光推進飛行器激光功率傳輸
結論

前言/序言
60多年前，1957年10月4日，第一顆人造地球衛星「斯普特尼克1號」被火箭助推器發射到近地軌道。從那時起，包括蘇聯、美國、法國、中國和日本在內的許多國家紛紛開始建立大型航天器發射場；向太陽系內的行星發射空間飛行器的任務已經實現；航天員也登上了月球。可以預期，在不久的將來，將出現更多載人和無人飛行任務與探索地球以外更遠的恆星的前景空間項目。
距離1960年第一台激光器，一種高度定向的「平行電磁光束」被驗證，也已經過去了60年。目前，各種類型的高功率激光器（包括氣體、液體、固態和自由電子）已經能夠在從X射線到中紅外光譜譜段等較寬的輻射波長範圍內工作。激光已經在民用和海軍領域得到了廣泛應用。目前已研製出基於高功率激光輻射能量傳輸的全球能源系統，其中一些項目涉及空間運輸系統，這些系統利用高功率激光產生推力。
在20世紀70年代和80年代，先後有幾個涉及激光軌道轉移飛行器（Laser Orbit Transfer Vehicle，LOTV）的空間任務項目採用了陸基或星載高功率激光推進方式。假設採用500MW激光器實現質量30t的LOTV從LEO（Low Earth Orbit）轉移到GEO（Geosynchronous Earth Orbit），那麼高功率激光推進（HPLP）系統必須包括以下設備：
1）由6-10個大型激光器組成的激光設備。
2）具有自適應望遠鏡，能控制激光束方向的激光功率發射機。
3）能將激光束定向到軌道轉移飛行器的在軌二次發射機。
4）帶有接收望遠鏡系統的LOTV，用於收集激光功率，並能夠將功率再次定向到激光推進發動機上。
5）用來控制太空任務的地面太空發射中心。
此外，20世紀80年代，在美國國家航空航天局（NASA）的領導下，美國研製出了一款新型空間運輸系統——阿波羅光船（Apollo Lightcraft）。該項目要求設計並開發航天器的所有組件，包括從飛行器總體方案到航天器發射和著陸的電子制導系統。其中重要的一點是在飛船上安裝激光推進發動機。「光船」假設由發射功率達吉瓦量級的高功率天基一空基激光器推動。激光推進發動機必須在兩種推力模式下運行：在70km高度以下，它通過吸氣式推進系統工作；超過70km則使用自帶推進劑在火箭模式下運行。
現代激光器只能產生幾兆瓦的功率，這種限制是由激光技術和激光設備工程技術的局限造成的。
最近，俄羅斯商人尤里·米爾納（Yuri Milner）和英國理論物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）「突然」贊成利用高能激光輻射推進的小型飛行器進行星際航行的想法。2016年，他們支持了「突破攝星」計劃（Breakthrough Starshot），目標是利用激光輻射的空間帆向半人馬座阿爾法星系（Alpha Centauri Star System）發射質量為1g的納米飛行器。據推測，該飛行器將在20年內到達半人馬座阿爾法星系，拍攝該恆星系中行星的照片，然後將這些信息發送給地球觀測者。
在不久的將來，決定任務成功與否的主要技術可能會被開發出來，涉及以下幾個方面。
1）微電子領域的進展，涉及航天器的所有微單元，即相機、電源、導航電子等。
2）利用納米技術製造太陽帆，使用的材料只有幾百個原子的厚度。
3）採用多個具有自適應相位補償的低功率激光器，研製總功率為50-70GW的多單元激光系統。
這些基於HPLP的項目現在看起來很奇幻，但它們被認為是對未來空間運輸系統發展的科學預測。
激光推進的理論基礎是由蘇聯院士A M 普羅霍羅夫（A M Prokhorov）和美國教授安東尼·皮爾里（Anthony Pirri）在20世紀70年代早期提出的。美國和蘇聯的科學家在20世紀七八十年代進行了許多激光推進的實驗研究。在那個時候，蘇聯尤·P 雷澤（Yu P Raizer）教授提出了高功率激光輻射條件下等離子體點火基本理論。激光輻射下激光等離子體和等離子體內的化學反應在產生推力方面起著重要作用。
在21世紀初，出現了激光推進研究的第二波高潮。在這期間，每兩年在不同的國家舉行的幾次束能推進國際研討會上，研究人員討論了激光推進存在的實際問題，內容涵蓋從美國、德國和俄羅斯等取得的成就到新型激光推進的應用研發。
與此同時，這些會議討論和展示了應用激光產生推力與火箭技術相比的優點，以及實際適應性方面存在的主要問題。激光推進可用於開發新型空間運輸系統，致力於創建空間通信系統、網際網路，以及其他基於小型空間飛行器系統的能量和通信基礎設施。
遺憾的是，直到現在所有這些概念都沒有實現！激光推進運輸系統的研究方向仍未明確。為此，本書討論了高功率激光推進發展的主要成就以及存在的理論和技術問題。
特別是，尤 P 雷澤教授提出的激光輻射與等離子體相互作用理論被認為可提高激光功率轉化為等離子體的效率。為確定激光推進的最佳形式，本書分析了激光功率產生推力的基本物理現象，討論了激光推進發動機設計和激光推進飛行器裝配的原則，包括：
1）激光推進發動機設計，為將飛行器發射至LEO，可在吸氣模式和衝壓發動機兩種模式下工作。
2）帶有激光光學組件的激光推進飛行器，收集遠程激光發射的能量，並直接定向到激光推進發動機。
3）激光光學自適應系統，通過地球大氣層輸送激光能量，控制激光束將飛行器送入地球軌道。
因為在亞聲速和超聲速模式下發動機推力效率偏低，以及缺乏激光推進發動機的優化設計，高功率激光推進系統的研製沒有取得進展。其中一個複雜的問題是缺乏相應的實驗設備，導致無法在高功率激光輻射下進行激光推進發動機真實條件的性能測試。
這本書是一次認真的嘗試，總結了激光推進實驗研究積累的經驗，討論了激光推進存在的現象、激光推進技術、激光推進飛行器設計，以及為飛行器運動提供推力的高功率激光系統。