骑着激光去太空！科学家提出激光热推进系统构想，可在45天内抵达火星

如果对 20 世纪以来人类最重大的发明做一个评选，相信有着“最亮的光”“最快的刀”之称的激光必定能够在其中占据一席之地。
1960 年 5 月 15 日，人类历史上第一束激光面世，自此激光开始进入实用阶段，并迅速在工业、农业、医疗、军事等领域大放异彩。而随着人们对激光的了解日趋加深，科学家们也开始尝试探索激光更多的应用可能。

图 | 激光表演

比如，激光是否可以推动宇宙飞船进入火星呢？
近日，来自加拿大麦吉尔大学的科研团队对这个大胆的设想作出了回应，认为其是完全可以实现的。
该团队提出一种激光热推进系统构想，希望借助一个位于地球表面上的大型激光矩阵，将储存于太空飞行器末端的氢等离子体（plasma）加热，从而产生强大的推动力，以将飞行器迅速送往火星，整个过程预计只需 45 天[1]。
而此前，太空探索技术公司（SpaceX）同样针对火星探索提出过一种解决方案，但他们采用的是依靠化学燃料来推动火箭，预计耗时长达 6 个月。这也意味着高效的激光热推进能够实现快速的行星际任务，进而可对整个太空探索及运输计划产生积极影响。
该研究成果发表在 Acta Astronautica 期刊上，相关论文以《使用激光热推进快速穿越火星任务的设计》（Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion）为题，第一作者是麦吉尔大学工程学士伊曼纽尔·杜佩莱（Emmanuelle Duplay）。

图 | 相关论文

事实上，激光热推进作为一种新型推进技术，相比传统火箭推动方式来说，在成本和有效载荷比上都有着显著优势，且早已被全球各个国家重视并广泛用于卫星发射和轨道控制等领域。因此，该团队的设想并不是凭空想象。
据了解，杜佩莱团队之所以会产生借助激光矩阵进入火星的想法，其实是为了完成美国宇航局（NASA）在 2018 年发起的一项挑战。
当时，NASA 要求科学家们设计出一套方案，以“在不超过 45 天内提供至少 1000 公斤的有效载荷，以及更长时间地进出太阳系。”该项任务若能成功完成，将在很大程度上减少未来宇航员们在太空飞行中所遭遇的身体损伤，比如宇宙射线带来的辐射。
然而难题在于，科学家们已经意识到火箭燃料的推力并不足以让人类抵达火星等更远的地方，新的动力亟需出现。
这种情况下，麦吉尔大学的研究团队自然而然将目光锁向了备受关注的激光推进技术。
在该团队的设想中，激光热推进系统将舍弃航天器必须携带的大量燃料，转而用激光来代替，从而让航天器更轻，速度更快。
其具体的原理是，利用位于地球上的大型激光阵列，远距离发射众多高能激光束。当航天器按照既定轨道在地月空间飞行时，便会通过充气装置，将这些不可见的激光束聚集到一个氢气加热室，该加热室类似于火箭上的燃烧室，不同的是，其内含有氢等离子体。
而后，当聚拢在一起的激光在能量密度到达某一个临界点时，加热室内流动的氢气便会通过喷嘴排出，形成强大的推动力，从而推动航天器迅速飞行。

图 | 激光热推进系统构想

据悉，通过这种推进方式，航天器的速度将突破 17 公里/秒。而这意味着其能够在不超过半天的时间内就穿越月球的轨道距离。最重要的是，即使在 45 天之后，该航天器仍然能够维持近似的速度继续飞行。
然而，新的问题随之出现，在航天器抵达火星大气层后，又该如何将快速飞行中的有效载荷成功安置在既定位置呢？
此前，运载有效载荷的航天器通常借助化学燃料的反作用力来进行降速，但激光推进系统显然缺乏这一必要条件。
该团队表示，在建造火星激光矩阵之前，或许“空中捕获将成为火星上减速有效载荷的唯一方法。”不过，这种减速方式具备相当高的风险。由于激光推进产生的高速度，空中捕获将很容易导致强烈的大气摩擦，这对航天器上的热系统保护材料来说是个很大的考验。
但不管如何，激光热推进系统概念都代表着一种先进的动力技术。此外，该系统可以实现前所未有的 0.01kg/kW 或更小的质量功率比。
“激光热推进的一大优势在于，能够使用排球场大小的激光阵列实现 1 吨的快速运输任务，”杜佩莱说。他进一步解释道，“其质量功率比甚至远低于核推进技术，因为它的动力源来自地球，并可以通过低质量充气反射器进行处理。”
不过，在杜佩莱看来，激光热推进技术目前并不成熟，想要成为现实，可能仍需要将近 20 年时间的持续发展。
-End-

参考：
1.Duplay, Emmanuel, et al. "Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion." Acta Astronautica （2021）.
https://phys.org/news/2022-02-laser-mars.html

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