激光推进是利用远距离高能激光加热工质，使得工质气体热膨胀或者产生电流间接产生推力，推动飞行器前进的新概念推进技术。驱动的飞行器有火箭、无人飞机等。

将一束光发送到远距离处，并将其能量和动量有效利用起来的思想，在激光还没有发明之前的远古时代就出现了。早在公元前214年，Archimede利用平面镜将太阳光反射并聚焦，从而将罗马Commander Marcellus舰队驱逐出Syracuse海峡的故事，就是一个为人们所熟知的例子。无论是真实的故事还是神话传说，这个例子至少证明了早在2000多年以前，人们就已经对于光束能量或者动量的有效利用问题表现出了浓厚兴趣。有关定向能光束利用的文字记载，可以追溯到20世纪的航天科幻题材出版物。俄罗斯航天先驱Fridrikh TsanderKonstantinTsioKovsky和德国Hermann Oberth分别于1923年和1924年，提到了光压推进的思想，这一思想是帆推进概念的雏形。遗憾的是，直到20世纪30年代，在德国的Oberth和美国的Goddard努力下，火箭技术已经获得了一定的发展空间，而俄罗斯的相关研究工作则一直不为西方所知。

航天飞行的先驱们不仅认识到了液体和固体燃料火箭推进能够克服地球引力场的作用，执行到达月球和火星的星际飞行任务，同时他们也认识到了火箭推进无法携带充足的燃料以满足星际飞行任务往返的需要。唯一能够解决这一难题的办法，是在一个固定的基地用地磁波束向火箭补充能量。德国学者Eugen Sgnger于1953年提出了光子火箭用于星际飞行任务的概念。由于当时还没有发明激光，因此Sanger设想的光子推进，是通过置于一个大型反射镜焦点位置处的裂变反应堆产生的连续高温等离子体辐射来实现的。人类发明激光之后，Sgnger在1960年改进了他的光子推进概念，即用核泵浦的固体气体激光来产生推进必需的辐射压力(图1-5)。2000年，也就是Sanger提出光子推进概念的47年之后，一种用高功率CO2激光驱动的光帆在美国Wright-Patterson空军基地通过了测试；同年，位于Braunschweig的德国DLR空间中心也研究并建造了一种大型太阳帆(图1-6)。

1972年，激光推进概念的提出几乎与美国高功率激光器的发展计划同步。随着激光技术的发展，20世纪70年代，各国学者，特别是美国学者在激光与物质相互作用机理方面开展了大量的研究，也探索了若干种激光推进模式。到了20世纪70年代末，美国军方对高能激光武器不再感兴趣，激光推进需要的高能激光器进展缓慢；而NASA热衷于航天飞机，对微小卫星发射系统不感兴趣；激光推进因高能激光器技术限制和小推力发射技术无人问津而进人发展的低潮。

到了20世纪80年代中期，两个事件再次掀起了激光推进研究的热潮。一是在美国“星球大战”计划推动下，美国高能激光器和光束定向器等技术的迅速发展为激光推进研究奠定了技术基础；二是太空武器计划，特别是空基动能武器系统，需要低成本发射技术和能力。

1986年春天，美国举办了激光推进研讨会，讨论了用大规模的自由电子激光发射有效载荷直接入轨的可行性。这个研讨会促成了美国SDIO(StrategicDefense Initiative Organization)立项支持“激光推进项目”(Laser Propulsion Program)，但是该项目于1989年草草结束，而且冷战时期成果发表得很少。这个项目夭折的主要原因：一是从其他项目不能获得用于激光推进演示的激光器，1989年SDIO GBL决定重点支持ks Alamos和Boeing的RF—Linac FEL，而不是LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)的ILFEL，而RF-Linac FEL的性能参数与激光推进实验研究需要的激光器性能参数完全不匹配；二是在短期内没有途径获得大型CO：激光器用于激光推进研究，只有美国NASA(National Aeronauticsand Space Administration)和AF(Air Force)给予了适度资助，激光推进研究又一次进入低潮。

20世纪90年代之前，美国之外的其他国家基本没有系统深入地研究激光推进，只有少量的对美国研究进展的跟踪性报道和综述性文章。20世纪90年代中期，随着MEMS(Microelectromechanical System)技术的发展，微小卫星技术发展非常迅速。在这个背景下，再次兴起了适合微小卫星低成本发射的激光推进技术的研究热潮。

自1996年开始，NASA和AF联合立项支持开展“光船技术演示项目”(Lightcraft Technology Demonstration)。这一计划的目标是在“激光推进项目”取得的成果的基础上，用缩比试验模型验证用高能脉冲激光将飞行器发射进入近地轨道的可能性，研究利用激光推进技术降低空间运输系统的成本。进入21世纪，俄罗斯、日本、德国等国家也都制定了激光推进研究工作的发展规划，资助相关领域的学者们开展应用基础研究和技术攻关。

激光推进的工作原理主要是指从远距离地基激光装置发出的高能激光束，经过推进器的抛物面反向镜聚焦到吸收室(类似于化学火箭发动机的燃烧室)或换热器上。当聚焦区域的激光能量密度达到或超过气体的击穿阈值时，吸收室里的空气便会形成高温高压的等离子体流场喷射而出，其反作用产生推动飞行器前进的推力。略有不同的是．当工质为液体或固体时，在激光照射下．会发生气化，喷射而出的是高温高压的蒸汽流。

作为一种基于强激光与工质相互作用原理的新型推进技术，在工作原理、能量转化方式等方面都不同于现有的化学推进。其中，“两大分离”是其最主要特点，即航天器与能源、能源与工质间的完全分离。

激光推进的分类方式很多，按照所用激光光源的种类，可以分为连续激光推进、脉冲激光推进和换热式激光推进。按照推进剂可分为吸气式激光推进、气体激光推进、液体激光推进和固体激光推进等。其中，换热式激光推进对激光能量/功率等参数要求不高，连续波和脉冲激光都可以作为其光源。国内外的研究工作主要集中在脉冲激光推进领域。

根据是否需要消耗飞行器自身携带的工质，学者们习惯将激光推进分为大气吸气模式和火箭模式。提法还不够统一，也有一些学者将火箭模式称为烧蚀模式。

所谓大气吸气模式，特指在稠密大气层中，飞行器将环境中的空气作为工质，而不需要消耗自身携带工质的情况。

所谓烧蚀模式激光推进，是指一束高能激光(脉冲或者连续)辐照到稠密介质的表面(固体或者液体)，产生蒸气或者等离子体射流，从而产生作用于介质表面的反作用力的推进方式(图1-2)。烧蚀模式激光推进的推重比较高，可以达到15N/kg，其推力随着激光功率的增加而线性变大，比冲的典型值位于200s～3100s之间。

对照传统化学推进的局限，可清晰看出激光推进的优势有以下几点：

成本低，载荷比更高。现有的化学推进火箭，载荷比普遍偏低，推进剂的重量占到火箭总重的70%～90%，而有效运载能力却只占火箭总重量的5%左右。曾作为人类航天史上推力最大的“土星5号”运载火箭，总起飞质量达到3038 t，但仅推进剂就有2 600多吨，占到了86%。由此可以看出，化学推进的大部分推力其实都用在运输推进剂上了，而非“有效载荷”。得益于航天器与能源的分离，激光推进最突出的优点是不需携带大量的燃料，飞行器在大气层中飞行时，只需通过激光束对空气加热。穿越大气层后，少量工质即可工作，这样就可以把运载工具的有效载荷提高到15%以上，发射费用降低一至两个数量级。

安全可靠、发射周期短。通常，提供能量的激光装置固定在地面上，飞行器不必像化学推进火箭，需携带易燃易爆、甚至有毒的推进剂，因此这种发射方式相对安全许多。与此同时，由于没有了传统复杂的能量发生子系统相关的部件，推进系统的设计可以得到相当程度的简化，相应地减少了发射的中间环节，缩短了发射前检测周期，有利于应急发射。

可以突破单级化学推进火箭的速度上限。虽然化学推进火箭推力较大，但受到推进剂燃烧和推力室结构的限制，燃烧温度不能太高，燃烧室压力不能过大，单级化学推进火箭推动下的最终速度是有限的。根据齐奥尔科夫斯基公式，化学推进的每一级火箭的最大速度只能达到10 km/s。而在激光束的照射下，高温等离子体的核心温度可达10 000～20 000 K，其喷射速度可以轻松超过化学推进剂燃烧时的喷射速度．因此，激光推进具有突破单级化学推进最高速度限制的潜力。

推力调节范围大、控制精度高。根据现有的实验研究，当使用不同能量级的激光和不同的推进剂时，激光推进器的推力可在非常大的范围内变动。因此，通过对地激光束能量的调节，便可以更加方便地改变推力大小，满足不同发射任务的要求和航天器的姿态调整等。

激光推进的主要特点如下：

(1)飞行器与能源的分离。飞行器仅携带工质，产生动力的能量来源于激 光器（一般部署在地面），通过远距离传输激光能量进行能源的补给，不必携带 庞大笨重的能源系统。

(2)能源与工质的分离。可以选用安全的工质，即比冲较高和分子量小的 “轻型”工质，不必携带易燃易爆甚至有毒的推进剂。

激光推进由于上述两个分离，带来了推进技术的革命，其主要特点是：比冲 大、成本低;机动性好、可靠性高;远距离传输能量，在轨机动能力强；发射周期 短、批量发射能力强。

激光推进主要应用前景如下：

(1)单级发射微小卫星。根据齐奥尔科夫斯基公式,传统化学火箭推进系 统比冲在200s ~500s范围，无法实现单级入轨。激光推进系统比冲可达2000s， 其至更高，可实现单级入轨。

(2)在轨卫星的姿/轨控。对微小卫星编队飞行的姿态和轨道精确控制，要 求最小冲量单位为10-6N· s～10-4N · s 量级，激光微推力器可提供毫牛·秒到 微牛·秒，甚至更小量级的最小冲量。

(3)临近空间飞行器的动力。地基激光能源系统，通过远距离传输激光能 量，为临近空间飞行器提供动力。

(4)高超声速飞行器减阻。在高超声速飞行器钝头体前方用高功率激光击 穿空气产生高温高压扰动区，并形成空气锥，从而达到减阻的目的。

(5)空间碎片清除。采用激光推进技术可实现地基激光清除空间碎片或天 基激光清除空间碎片。