Die Arbeiten zum Laserantrieb am Institut für Technische Physik umfassen sowohl Grundlagenuntersuchungen zum gepulsten thermischen Laserantrieb mit stationären Hochleistungslaserquellen, als auch die Entwicklung und Qualifizierung von laserablativen Mikrotriebwerken.
Das Prinzip des thermischen Laserantriebs basiert auf einem repetitiv gepulsten Antriebsmechanismus. Eine Brennkammer in Form eines Parabolspiegels konzentriert die zugestrahlte Laserenergie im Fokus. Dort zündet aus dem Treibstoff, z.B. Luft, ein hochdichtes Plasma, das schnell expandiert. Es entsteht eine sphärische Schockwelle mit hohem Druck und hoher Temperatur, die das Gas (Treibstoff) in Bewegung setzt. Mit Hilfe eines metallischen Zündstifts auf der Symmetrieachse der Brennkammer wird eine gleichmäßige, reproduzierbare Zündung des Detonationsprozesses sichergestellt. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen gepulster Freiflüge des Flugkörpers zeigen innerhalb gewisser Grenzen eine Rückorientierung zum Laserstrahl bei Seitversatz oder Verkippung. Durch Berechnungen zur Intensitätsverteilung in der Brennkammer werden die dabei auftretenden Kräfte für dieses nichtlineare dynamische System modelliert. So können geeignete Eingangsparameter für stabile Flugbahnen sowie kritische Randbedingungen durch Berechnungen vorhergesagt werden. Eine aktive Flugregelung wird durch die Verkippung des Zündstiftes, bzw. des Treibstoffzylinders, gegen die Symmetrieachse der Brennkammer erreicht.
Beim laserablativen Mikroantrieb befindet sich die (kompakte) Laserquelle direkt beim Triebwerk. Der Schub wird durch den Rückstoß des ablatierten Treibstoffs erzeugt.
Zur Generierung hochgenauer Impuls-Bits rücken metallische Treibstoffe von Aluminium bis hin zu Gold in den Mittelpunkt des Interesses. Die Ablation von Metallen resultiert zudem in einen hohen spezifischen Impuls.
Ein Teststand mit einem Festkörperlaser steht für experimentelle Untersuchungen zur Verfügung. Die Experimente werden durch theoretische Modellierungen des Antriebsprozesses unterstützt und ergänzt. Die geplanten Analysen im Vakuum umfassen Messungen auf einer hochempfindlichen Schubwaage sowie Untersuchungen zur Ausbreitungscharakteristik des Ablationsjets. Für die Integration des Konzepts in ein störungsfreies Gesamtsystem ist die trägheitsfreie Führung des Laserstrahls durch aktive optische Systeme über die Targetfläche von entscheidender Bedeutung. Um die Stabilität des Systems für spätere Missionen zu gewährleisten, sind außerdem Langzeit-Messungen zur gleichbleibend reproduzierbaren Performance unabdingbar.