《高功率激光推进》英文版原著由Yuri A. Rozunkov博士编著，2021年由Springer nature出版公司出版发行。本书是介绍高功率激光推进工作机理、激光推进发动机设计、激光推进飞行器设计和未来空间应用的专业性著作。激光推进作为新概念推进技术，具有高性能、高可靠等特点，在未来低成本自由进出空间和深空探测领域具有极大的应用潜力。目前，国内仍处于激光推进技术的概念探索及原理验证阶段，距离工程应用差距较远。为支撑我国未来深空探测等重大航天任务实施，有必要提前布局高功率激光推进技术的研究和攻关工作。

最后，也就是第三种方法，也是最诱人的获得速度的方法，从地球向飞行器传输能量，飞行器本身不提供物质（即炸药或燃料形式）能量；而且在地球以平行短波形式向飞行器发射电磁光束。

K. E. 齐奥尔科夫斯基

1924年《宇宙飞船》

60多年前，1957年10月4日，第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号被火箭助推器发射到近地轨道。从那时起，包括苏联、美国、法国、中国和日本在内的许多国家纷纷开始建立大型航天器发射场；向太阳系内的行星发射空间飞行器的任务已经实现；航天员也登上了月球。可以预期，在不久的将来，将出现更多载人和无人飞行任务与探索地球以外更远的恒星的前景空间项目。

距离1960年第一台激光器，一种高度定向的平行电磁光束被验证，也已经过去了60年。目前，各种类型的高功率激光器（包括气体、液体、固态和自由电子）已经能够在从X射线到中红外光谱谱段等较宽的辐射波长范围内工作。激光已经在民用和海军领域得到了广泛应用。目前已研制出基于高功率激光辐射能量传输的全球能源系统，其中一些项目涉及空间运输系统，这些系统利用高功率激光产生推力。

在20世纪70年代和80年代，先后有几个涉及激光轨道转移飞行器（Laser Orbit Transfer Vehicle,LOTV）的空间任务项目采用了陆基或星载高功率激光推进方式。假设采用500 MW激光器实现质量30 t的LOTV从LEO（Low Earth Orbit）转移到GEO（Geosynchronous Earth Orbit），那么高功率激光推进（HPLP）系统必须包括以下设备:

1）由6~10个大型激光器组成的激光设备。

2）具有自适应望远镜，能控制激光束方向的激光功率发射机。

3）能将激光束定向到轨道转移飞行器的在轨二次发射机。

4）带有接收望远镜系统的LOTV，用于收集激光功率，并能够将功率再次定向到激光推进发动机上。

5）用来控制太空任务的地面太空发射中心。

此外，20世纪80年代，在美国国家航空航天局（NASA）的领导下，美国研制出了一款新型空间运输系统阿波罗光船（Apollo Lightcraft）。该项目要求设计并开发航天器的所有组件，包括从飞行器总体方案到航天器发射和着陆的电子制导系统。其中重要的一点是在飞船上安装激光推进发动机。光船假设由发射功率达吉瓦量级的高功率天基空基激光器推动。激光推进发动机必须在两种推力模式下运行：在70 km高度以下，它通过吸气式推进系统工作；超过70 km则使用自带推进剂在火箭模式下运行。

现代激光器只能产生几兆瓦的功率，这种限制是由激光技术和激光设备工程技术的局限造成的。

最近，俄罗斯商人尤里·米尔纳（Yuri Milner）和英国理论物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）突然赞成利用高能激光辐射推进的小型飞行器进行星际航行的想法。2016年，他们支持了突破摄星计划（Breakthrough Starshot），目标是利用激光辐射的空间帆向半人马座阿尔法星系（Alpha Centauri Star System）发射质量为1 g的纳米飞行器。据推测，该飞行器将在20年内到达半人马座阿尔法星系，拍摄该恒星系中行星的照片，然后将这些信息发送给地球观测者。

在不久的将来，决定任务成功与否的主要技术可能会被开发出来，涉及以下几个方面。

1）微电子领域的进展，涉及航天器的所有微单元，即相机、电源、导航电子等。

2）利用纳米技术制造太阳帆，使用的材料只有几百个原子的厚度。

3）采用多个具有自适应相位补偿的低功率激光器，研制总功率为50~70 GW的多单元激光系统。

这些基于HPLP的项目现在看起来很奇幻，但它们被认为是对未来空间运输系统发展的科学预测。

激光推进的理论基础是由苏联院士A. M.普罗霍罗夫（A. M. Prokhorov）和美国教授安东尼·皮尔里（Anthony Pirri）在20世纪70年代早期提出的。美国和苏联的科学家在20世纪七八十年代进行了许多激光推进的实验研究。在那个时候，苏联尤·P.雷泽（Yu P. Raizer）教授提出了高功率激光辐射条件下等离子体点火基本理论。激光辐射下激光等离子体和等离子体内的化学反应在产生推力方面起着重要作用。

在21世纪初，出现了激光推进研究的第二波高潮。在这期间，每两年在不同的国家举行的几次束能推进国际研讨会上，研究人员讨论了激光推进存在的实际问题，内容涵盖从美国、德国和俄罗斯等取得的成就到新型激光推进的应用研发。

与此同时，这些会议讨论和展示了应用激光产生推力与火箭技术相比的优点，以及实际适应性方面存在的主要问题。激光推进可用于开发新型空间运输系统，致力于创建空间通信系统、互联网，以及其他基于小型空间飞行器系统的能量和通信基础设施。

遗憾的是，直到现在所有这些概念都没有实现！激光推进运输系统的研究方向仍未明确。为此，本书讨论了高功率激光推进发展的主要成就以及存在的理论和技术问题。

特别是，尤·P.雷泽教授提出的激光辐射与等离子体相互作用理论被认为可提高激光功率转化为等离子体的效率。为确定激光推进的最佳形式，本书分析了激光功率产生推力的基本物理现象，讨论了激光推进发动机设计和激光推进飞行器装配的原则，包括：

1）激光推进发动机设计，为将飞行器发射至LEO，可在吸气模式和冲压发动机两种模式下工作。

2）带有激光光学组件的激光推进飞行器，收集远程激光发射的能量，并直接定向到激光推进发动机。

3）激光光学自适应系统，通过地球大气层输送激光能量，控制激光束将飞行器送入地球轨道。

因为在亚声速和超声速模式下发动机推力效率偏低，以及缺乏激光推进发动机的优化设计，高功率激光推进系统的研制没有取得进展。其中一个复杂的问题是缺乏相应的实验设备，导致无法在高功率激光辐射下进行激光推进发动机真实条件的性能测试。

这本书是一次认真的尝试，总结了激光推进实验研究积累的经验，讨论了激光推进存在的现象、激光推进技术、激光推进飞行器设计，以及为飞行器运动提供推力的高功率激光系统。

俄罗斯索斯诺维堡，尤里·A.罗津科夫

2021年1月

作者尤里·A.罗津科夫（Yuri A. Rezunkov，1950年生）是俄罗斯索斯诺维堡光电仪器工程科学研究所的首席科学家，主要研究方向为激光物理、激光光学以及激光辐射与物质的相互作用。

1974年，毕业于列宁格勒理工学院（现圣彼得堡工业大学），获得空气动力学和热力学学位；1977年，获得博士学位，并加入阿穆尔国家光学研究所索斯诺维堡博尔分院。

尤里·A.罗津科夫发表了多篇不同学科的论文，包括：高功率激光辐射在地球大气中的传播、激光防雷系统发展、利用相位共轭技术补偿大气湍流引起的激光束波前畸变，以及高能皮秒CO2激光器研制等。他的论文重点关注激光推进理论和应用技术的发展。他的理学博士论文题目是《基于CHO基聚合物激光烧蚀推进》，并在2006年成功通过答辩。

目前，尤里·A.罗津科夫博士从事激光对光电设备影响的研究。

译者陈鸿麟，1996年参加工作以来，先后任航天科技六院办公室技术秘书、秘书处副处长；2008年1月至2020年3月，任六院科技委办公室主任，主要从事科研管理工作。作为主要参与者与策划者，组织完成了航天科技集团公司科技委、中国工程院机械与运载学部多项发展战略课题研究，对航天液体动力技术发展和技术政策提出了建议与意见。