大膽預(yù)測(cè)：使用激光器陣列可實(shí)現(xiàn)45天到達(dá)火星！

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　　激光能作為驅(qū)動(dòng)源將宇宙飛船送至火星嗎?加拿大麥吉爾大學(xué)一支研究小組提出一項(xiàng)方案，地面安裝一組 10 米寬的激光器陣列，加熱宇宙飛船后艙中的氫等離子體，從而產(chǎn)生氫氣推力，并且能夠在短短 45 天內(nèi)將宇宙飛船發(fā)射到火星。當(dāng)?shù)诌_(dá)火星大氣層時(shí)將進(jìn)行減速，為未來(lái)火星人類(lèi)殖民地運(yùn)送物資，也許有一天，能通過(guò)該方式將人類(lèi)運(yùn)送至火星。

　　2018 年，美國(guó)宇航局主辦工程師設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽，要求參賽者設(shè)計(jì)一項(xiàng)火星任務(wù)，在不超過(guò) 45 天的時(shí)間內(nèi)運(yùn)送至少 1000 公斤的有效載荷，以及實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)系深處和太陽(yáng)系外部的空間旅行。該挑戰(zhàn)賽要求短時(shí)間內(nèi)抵達(dá)火星，其動(dòng)機(jī)是為了將物資成功運(yùn)送到火星，未來(lái)也可能實(shí)現(xiàn)載人飛行，讓人類(lèi)在短短 45 天內(nèi)抵達(dá)火星，同時(shí)，該太空旅行盡量減少他們暴露在星際宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)風(fēng)暴的破壞影響下。SpaceX 公司執(zhí)行總裁埃隆·馬斯克(Elon Musk)曾大膽設(shè)想——基于化學(xué)燃料火箭，可在半年內(nèi)將人類(lèi)從地球運(yùn)送至火星表面。

　　麥吉爾大學(xué)的設(shè)計(jì)方案被稱(chēng)為“激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)”，依靠地面一組紅外激光器，寬度 10 米，結(jié)合許多不可見(jiàn)的紅外光束，每一束波長(zhǎng)大約 1 微米，總功率為 100 兆瓦——這相當(dāng)于 8 萬(wàn)個(gè)家庭的供電需求。該飛船將環(huán)繞在橢圓形中等地球軌道上，飛船有一個(gè)反射器，可將來(lái)自地球的激光束導(dǎo)向至一個(gè)包含氫等離子體的加熱艙中，當(dāng)加熱艙核心被加熱到 7.2 萬(wàn)華氏度時(shí)，其核心周?chē)臍錃鈱⑦_(dá)到 1.8 萬(wàn)華氏度，并從一個(gè)噴嘴噴出產(chǎn)生推力，在 58 分鐘內(nèi)推動(dòng)飛船離開(kāi)地球，在地球自轉(zhuǎn)時(shí)，側(cè)推進(jìn)器將使飛船與激光束保持方向一致。

　　當(dāng)發(fā)射激光束停止時(shí)，宇宙飛船將以相對(duì)地球、每秒 17 公里的速度快速移動(dòng)，該速度足以在短短 8 小時(shí)內(nèi)穿過(guò)地月軌道距離，大約 45 天之后宇宙飛船將到達(dá)火星大氣層，此時(shí)它仍以每秒 16 公里的速度飛行。然而，一旦到達(dá)火星軌道，對(duì)于工程師而言，如何將宇宙飛船的有效載荷保持在火星軌道是非常棘手的問(wèn)題。

　　這很困難，因?yàn)轱w船的有效載荷無(wú)法攜帶化學(xué)推進(jìn)劑使火箭減速——該狀態(tài)下所需燃料將有效載荷質(zhì)量減少至最初 1000 公斤的6% 以?xún)?nèi)。未來(lái)在火星生活的人員可以建造一個(gè)等效激光陣列，用于飛船降速，利用其反射器和等離子體艙提供反向推力之前，航空捕獲是飛船在火星軌道減速的唯一方法。

　　即便如此，火星大氣層中實(shí)現(xiàn)航空捕獲或者航空制動(dòng)可能是一個(gè)危險(xiǎn)的操作，飛船減速度(即負(fù)加速度)將達(dá)到 8g，該狀態(tài)將達(dá)到人類(lèi)生理承受極限，僅能承受幾分鐘時(shí)間，因?yàn)橹荒茉谝淮苇h(huán)繞火星運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)航空捕獲，受火星大氣摩擦影響，飛船的最大熱通量將高于傳統(tǒng)熱保護(hù)系統(tǒng)材料，但不是那些當(dāng)前正在積極開(kāi)發(fā)研制的新材料。

　　配備“激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)”的宇宙飛船可進(jìn)入深太空或者火星軌道，該方案與之前提出的其他太空傳輸方案形成鮮明對(duì)比，例如：激光-電力推進(jìn)系統(tǒng)，激光束沖擊飛船有效載荷后方的光伏電池;太陽(yáng)能電力推進(jìn)系統(tǒng)，太陽(yáng)能光伏電池在太陽(yáng)光線(xiàn)照射下可產(chǎn)生能量，從而產(chǎn)生推進(jìn)宇宙飛船行進(jìn)的推力;核電力推進(jìn)系統(tǒng)，即核反應(yīng)堆產(chǎn)生電力，該電力產(chǎn)生離子推動(dòng)推進(jìn)器;此外還有核熱推進(jìn)系統(tǒng)，核反應(yīng)堆的熱量將液體轉(zhuǎn)化為氣體，然后通過(guò)噴嘴噴出產(chǎn)生推力。

　　激光推進(jìn)系統(tǒng)能夠使用排場(chǎng)大小的激光陣列完成 1 噸有效載荷的快速運(yùn)輸任務(wù)，而激光電力推進(jìn)系統(tǒng)僅能使用公里等級(jí)陣列完成。“激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)”概念的一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)是具有極低的質(zhì)量功率比，在 0.001-0.010 kg/kW 范圍內(nèi)是“無(wú)與倫比”的，該概念遠(yuǎn)低于那些先進(jìn)核動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，因?yàn)槟芰吭慈栽诘厍蛏希覀鬏數(shù)耐靠捎梢粋€(gè)低質(zhì)量充氣反射器處理。

　　上世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家首次研究激光-熱能推進(jìn)技術(shù)，當(dāng)時(shí)使用的是 10.6 微米 CO2 激光器，這是當(dāng)時(shí)功率最大的激光器。現(xiàn)今 1 微米等級(jí)的光纖激光器可以大規(guī)模平行組合，相控陣具有較大的有效直徑，這意味著在杜普賴(lài)的激光-熱能推進(jìn)概念中，功率輸出焦距超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　一支研究小組正在開(kāi)發(fā)相控陣激光器結(jié)構(gòu)，激光器陣列使用單個(gè)大約 100 瓦的激光放大器，每個(gè)放大器是一個(gè)簡(jiǎn)單光纖環(huán)路和一個(gè) LED 燈做為“泵”，該放大器可以批量生產(chǎn)，成本不高，所以我們可以設(shè)想未來(lái)的火星任務(wù)需要訂制 100 萬(wàn)個(gè)獨(dú)立激光放大器。

　　第一批到達(dá)火星的人類(lèi)可能不會(huì)使用激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，然而，隨著越來(lái)越多的人到達(dá)火星，并維持一個(gè)長(zhǎng)期性殖民基地，我們就需要這樣的推進(jìn)系統(tǒng)，便于人類(lèi)更快地到達(dá)火星，同時(shí)還能避免輻射危害。杜普賴(lài)稱(chēng)，采用激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)的火星任務(wù)可能會(huì)在人類(lèi)首次登陸火星 10 年之后執(zhí)行，推測(cè)可能在 2040 年。
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