卫星用高能激光防护技术发展现状.pdf
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1、卫星用高能激光防护技术发展现状曹生珠,何延春,王健,成功,马东锋,左华平,王虎,武生虎,李毅(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州730000)摘要:高能激光技术不断发展,逐渐成为卫星在轨安全的威胁。介绍了高能连续激光和脉冲激光武器对卫星损伤机制的研究进展。针对卫星太阳电池阵、相机、星敏感器等光学系统以及热控多层、复合材料推进剂储箱等非光学关键结构防护特点,总结分析了线性光学防护薄膜、非线性光学防护薄膜、相变材料、机械快门、高损伤阈值薄膜和防护罩等各种高能激光防护技术的主要原理、发展现状和技术特点。关键词:卫星;高能激光防护;线性光学;非线性光学;相变材料;机械快门;损伤阈值;
2、防护罩中图分类号:O484.4+1;V250.2文献标志码:A文章编号:10067086(2024)01000109DOI:10.12446/j.issn.1006-7086.2024.01.001Development Status of High Energy Laser Protection Technology for SatellitesCAO Shengzhu,HE Yanchun,WANG Jian,CHENG Gong,MA Dongfeng,ZUO Huaping,WANG Hu,WU Shenghu,LI Yi(Science and Technology on Vacuu
3、m Technology and Physics Laboratory,Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou730000,China)Abstract:Thecontinuousdevelopmentofhigh-energylasertechnologyhasgraduallybecomeapracticalthreattothesafetyofsatellitesinorbit.Thisarticleintroducestheresearchprogressonthedamagemechanismofhigh-energylaserweaponsonsa
4、tellites,andclarifiesthedamagemechanismsofhigh-energycontinuouslaserandpulselaser.Andbasedontheprotectioncharacteristicsofopticalsystemssuchassatellitesolarcellarrays,cameras,starsensors,aswellasnon-opticalkeystructuressuchasthermalcontrolmultilayerandcompositepropellantstoragetanks,themainprinciple
5、s,developmentstatus,andtechnicalcharacteristicsofvarioushigh-energylaserprotectiontechnologiessuchaslinearopticalprotectionfilms,non-linearopticalprotectionfilms,phasechangematerials,mechanicalshutters,highdamagethresholdfilms,andprotectivecov-ersweresummarizedandanalyzed.Key words:satellite;highene
6、rgylaserprotection;linearoptics;nonlinearoptics;phasechangematerials;mechanicalshutter;damagethreshold;protectivecover0引言随着武器装备信息化水平的不断提高,军事侦察、导航、通信、预警等卫星已经成为我国国防武器装备信息化的重要组成部分,对我国国防安全具有重要的战略意义。由于军用卫星重要性的日益凸显,反卫星技术成为大国装备技术研发的重点方向。其中,高能激光反卫星技术因诸多优势而成为研究热点。高能激光武器又称强激光武器,激光能量通常高达几十万瓦甚至兆瓦,可直接摧毁目标或使其失效,严
7、重威胁军事目标的生存1。高能激光武器具有攻击速度快、成本低、杀伤效果可控、不易产生可能威胁同一轨道其他航天器安全的碎片等多种优势,尤其对卫星相机、各种敏感器等光学系统、卫星太阳阵和热控系统具有重要威胁,因此是大国重点发展的反卫星武器技术。收稿日期:2023-09-23基金项目:甘肃省科技重大专项(22ZD6GA011)作者简介:曹生珠,高级工程师,主要从事航天器防护技术研究。E-mail:引文信息:曹生珠,何延春,王健,等.卫星用高能激光防护技术发展现状J.真空与低温,2024,30(1):19.CAOSZ,HEYC,WANGJ,etal.Developmentstatusofhighener
8、gylaserprotectiontechnologyforsatellitesJ.Vacu-umandCryogenics,2024,30(1):19.第 30 卷第 1 期真空与低温2024年1月VacuumandCryogenics1前苏联和美国从冷战时期就开展了反卫星激光武器技术的研究,由于空基和天基激光武器技术难度大,研究发展一直处于停滞状态,仅地基激光武器研发成功并投入装备应用。然而,由于地基激光武器与低轨卫星距离过远,到靶功率密度不足以形成硬杀伤,只能使光学相机致盲和形成干扰。近年来,随着光纤激光技术的快速突破和发展,美国的几十千瓦级小型化激光武器已经具备星上应用能力,天基激光反
9、卫星技术进入了实战化部署阶段。天基激光武器可通过轨道逼近对卫星进行近距离攻击,实现软杀伤和硬杀伤。理论研究表明,天基部署的 30kW 级激光武器接近目标至 75km 时,具有 41W/cm2的到靶功率密度2。对于太阳电池阵,激光功率密度达到 8W/cm2就能对其造成损伤;对于热控多层,功率密度达到 15W/cm2就会导致其等效热导率大幅增加,达到 100W/cm2时,15 层热控多层不到 1s 就能完全烧穿。由此可见,天基激光武器已经具备了对卫星关键分系统和部组件的硬杀伤能力,对卫星在轨安全形成了实质性威胁。因此,开展卫星激光防护技术研究迫在眉睫。1高能激光的损伤机制目前,主要的激光武器分为连
10、续激光和脉冲激光,其中,脉冲激光以毫秒和纳秒级为主。研究表明,高能激光束的损伤机制主要为热作用破坏、力学破坏和辐射破坏1。激光器的脉宽不同,损伤机制不同。此外,针对光电传感器,激光还可实现“软杀伤”,即强光饱和型失效机制:当照射激光超过器件的最大负载值时,传感器出现强光饱和现象3,导致图像失真等,影响传感器正常工作。相关研究包括利用有限元4、时域有限差分(FDTD)5和三维差分方法6来模拟温度分布7-8、应力分布9、电子雪崩10和激光照射的等离子体效应6,11。Gao 等8采用有限元分析研究了激光辐照过程中物体的温度分布情况,结果表明,温度分布与高斯型光斑能量分布对应,高斯光斑中心处温度最高,
11、一旦超过熔点,物体就会出现损伤,即激光烧蚀损伤一般从光斑中心处开始,如图 1 所示。Dai 等12建立了纳秒激光诱导光学薄膜瞬态温度场的数值计算模型,并应用该模型计算了不同热导率的 HfO2薄膜的应力场随光斑中心(也是缺陷点)距离的变化曲线,如图 2 所示。研究发现,热导率低的薄膜的应力比热导率高的薄膜的应力大,激光辐照光斑中心处应力可达 3000MPa,如此高的应力会导致薄膜分层和开裂。通过对激光照射后残余应力的描述和损伤形态分析,验证了应力损伤的数值结果。617.61851.0031 084.4001 317.7901 551.180734.307967.7001 201.091 434.
12、4901 667.880温度/图 1激光辐照过程热烧蚀区温度分布仿真分析Fig.1Simulationresultsoftemperaturedistributioninthethermalablationzoneduringlaserirradiation 3 0002 5002 0001 5001 0005000应力/MPa0255075100125150175200距离/nmHfO2 薄膜热导率1.67 W/mK1.90 W/mK2.15 W/mK2.50 W/mK临界应力图 2激光照射后不同热导率的 HfO2薄膜表面缺陷处的应力Fig.2Thermalstressfromthesurf
13、aceofthedefectinHfO2matrixwithdifferentthermalconductivityYan 等11建立了激光辐照钛金属表面后的流体力学模型,研究了激光辐照产生的等离子体的演化过程。在 2J/cm2激光照射后的 1545ns 时段内,等离子的扩展演化过程如图 3 所示:随着时间的增加,等离子体体积不断扩展,等离子体位置沿激光入射方向向远离材料表面方向移动约 50m,压力从 0.7MPa 增加到 2MPa。这种高压等离子体的产生和扩展移动过程会反作用于材料,造成材料力学损伤,因此等离子体效应也是激光损伤的重要因素。大量研究表明,连续激光的损伤模式主要是热效应导致的烧
14、蚀损伤。而脉冲激光可在毫秒、纳秒、飞秒脉冲时间内形成高峰值功率密度,照射到材料表面后,短时间内产生极高的温升从而产生GPa 数量级的应力,当应力超过材料的临界机械强度时,材料被损坏9,13-16。2真空与低温第30卷第 1 期110691058105710561055105310521051105(a)t=15 ns10010050050100806040200位置/m等离子体半径/m(b)t=30 ns(c)t=45 ns10010050050100806040200位置/m等离子体半径/m10010050050100806040200位置/m等离子体半径/m等离子体压力/Pa3106310
15、62106210611061106710541054104等离子体压力/Pa210611061106110681056105510531059104等离子体压力/Pa图 32J/cm2激光辐照后的等离子体仿真结果Fig.3Thepressurechangesoftitaniumplasmaabovethetargetsurfaceafter2J/cm2laserirradiationfrom15to45ns2卫星高能激光防护技术现状目前,高能激光武器对卫星的主要损伤模式包括打击太阳电池阵,以破坏整星能源供应;攻击相机、星敏感器等光学系统,破坏卫星侦察、姿态测量能力;攻击热控多层,破坏卫星的热控
16、能力,造成卫星热控系统失控,并发生连锁反应导致部分甚至整星损坏。由于光学系统和非光学系统对激光防护的防护机制、材料体系等存在较大差别,因此,卫星针对高能激光的防护可以分为太阳电池阵、相机等光学系统的激光防护和热控表面等关键结构的激光防护。2.1卫星太阳阵高能激光防护太阳阵对光子敏感,为了获得高的光电转化效率,太阳阵必须对可见和近红外有高的光子吸收率,因此,极易遭受近红外激光攻击。目前有效的防护方式主要是线性光学方式,即在太阳阵电池盖片表面镀制滤光片,用高反射多层光学介质薄膜反射典型波段的激光,通过减少能量吸收耦合实现防护。早期线性光学防护主要针对单一波长激光17-18,如中国电子科技集团 18
17、 所研制出一种反射 1064nm激光的高反射盖片,可以将激光能量衰减 94%以上,其光谱图如图 4 所示17,电池效率衰减为 5.5%左右。兰州物理研究所19在 K9 玻璃上设计和制备了可以对氧碘激光进行防护的薄膜,在遥感仪器的工作波段 500900nm 内,平均透射率达到 95.2,在以 1315nm 为中心的一定波段范围内,反射率超过 99.3,可有效防护激光损伤星载遥感仪器。随着激光武器的快速发展,单一波长的激光防护技术已经无法满足需求,多波长防护技术逐渐成为主要发展方向。中国科学院长春光机所20基于线性光学原理设计了针对 532nm 和 1064nm 激光的卫星太阳阵防护方案。该方案采
18、用 ZrO2和 SiO2作为膜系材料,膜系设计为 56 层,可在 4001000nm波段获得 85%的透射率,在 532nm 和 1064nm 两个波段的反射率超过 98%。在保证太阳阵发电效率的同时获得了针对两个波段激光的防护性能。1009080706050403020100透过率/%400600800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800波长/nm图 4典型的太阳电池阵用防激光滤光片的光谱图Fig.4Thetransmissionspectraofatypicalantilaserfilterforasolararray除了膜系设计上采用多波段高反射设计以外,通过基片
19、材料选择,结合光学膜系设计,可以实现更多谱段的激光防护。天津津航技术物理研究所21采用可见光-近红外透明和中波红外吸收的玻璃基底与线性激光防护薄膜相结合的设计方法,设计玻璃基底一面为分光膜,另一面为多层高反膜。分别采用电子束蒸发和离子束溅射沉积技术制备两种膜。薄膜在500800nm 范围的太阳光平均透射率 T 大于 95%,在 1550nm 处的透射率大于 98%,在 1315nm(激光波长)处的透射率小于 0.1%,借助玻璃基底在中波红外的吸收效应,使 2700nm 处的透射率小于 20%,3800nm 处的透射率小于 0.5%,如图 5 所示。曹生珠等:卫星用高能激光防护技术发展现状3T
20、95%500800 nmT 98%1 550 nmT 20%2 700 nmT 0.5%3 800 nmT0.1%1 315 nm100806040200透射率/%5001 0001 5003 0003 5004 000波长/nm图 5多波段太阳电池阵激光防护膜光谱图Fig.5SpectraofmultibandsolararraylaserprotectivefilmKumar 等22针对532nm 和1064nm 激光设计的基于 Ta2O5/SiO2的多波段激光防护薄膜,在 1064nm波段的反射率可达到 99.79%,损伤阈值为 4.8J/cm2。Ribeaud 等23制备的 532nm
21、 和 1064nm 激光防护膜,在 1064nm 波段的反射率可达到 99.997%,损伤阈值为 18.62J/cm2。总的来看,线性光学防护薄膜的特点是在特定波长具有高的反射率,通过膜系设计,其反射率可以高达 99%,大幅降低了对激光能量的耦合吸收,且多数线性光学薄膜采用高熔点氧化物,因此,线性光学激光防护膜一般也具有较高的损伤阈值。总之,线性光学薄膜技术较为成熟,可靠性高,是目前最具工程实用性的激光防护方案,适合于卫星相机、太阳电池阵等光学系统的高能激光防护。不足的是,线性光学防护薄膜防护的波段越多,膜系越复杂,而对于太阳电池等应用而言,复杂的膜系还会使其整体效率降低。2.2光学遥感系统激
22、光防护技术针对卫星用光学相机、地球/太阳敏感器等光学系统,主要的防护技术有非线性光学、相变薄膜和机械快门等。2.2.1非线性光学激光防护技术基于非线性光学原理的激光防护技术主要利用材料的反饱和吸收、非线性折射和非线性散射等效应。如当入射光强较低时,材料呈弱吸收、高透射状态;当入射光强高于临界值时,材料分子处于激发态,则会呈高吸收、低透射状态,从而可对超过一定阈值的光强进行限制,如图 6 所示,因此又称为光限幅材料24。目前,具有较好非线性效应的材料有无机半导体纳米材料、共轭有机高分子、碳纳米材料及二维材料等。其中,无机半导体纳米材料主要包括砷化镓(GaAs)25、ZnO 纳米球26、CuS 纳
23、米空心球27等;共轭有机高分子材料有酞菁28-29和卟啉等大环化合物30-35;碳纳米材料,如富勒烯,C60 及其衍生物36-38以及碳纳米管等39-43;二维材料主要包括六方 BN44、锑烯 Sb45、过渡金属卤化物 MoS245、二维单元素半导体黑磷 BP46、石墨烯47、碲烯等48。输出能量/J输入能量/J图 6光限幅效应原理示意图Fig.6PrincipleschematicofopticallimitingeffectFeng 等47报道了不同的碳纳米材料的蒸馏水分散液在 532nm 和 1064nm 纳秒激光辐射下的光限幅性能,如图 7 所示,其中 GONSs 为氧化石墨烯纳米片,
24、GONRs 为氧化石墨烯纳米带,GNSs 为石墨烯纳米片,GNRs 为石墨烯纳米带,MWCNTs 为多壁碳纳米管。可以看出,后三种纳米石墨烯材料表现出优异的宽带光限幅性能。基于上述非线性材料的激光防护技术具有智能防护、响应时间短、防护波段宽、对波长不敏感等诸多优势。但是由于非线性材料的防护原理是基于透射率变化,导致其在激光防护过程中仍然存在较高的激光吸收,这种吸收对于低功率密度激光的影响小,但对于高能激光,较高的吸收就会导致材料本身热烧蚀损伤,而大部分非线性防护材料的损伤阈值较低,一般为几十到几百毫焦耳/平方厘米28,46,因此,非线性防护材料目前主要用于护目镜等低功率密度激光防护领域。此外,
25、多数的非线性材料只在悬浮液中表现出有效的非线性光学效应,而将各类性能优异的光限幅材料共聚或复合到固态透明基质中,即,将它们的非线性光学性质从悬浮液中转移到固态薄膜甚至固体结构中,目前是亟待解决的关键问题。4真空与低温第30卷第 1 期 10080604020901001108070605040透射率/%透射率/%GONSsGNSsGONRsGNRsMWCNTs0.010.11输入通量/(Jcm2)0.1110输入通量/(Jcm2)GONSsGNSsGONRsGNRsMWCNTs(a)532 nm 激光辐照(b)1 064 nm 激光辐照图 7不同的碳纳米材料分散液在 532nm 和 1064n
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