北京時間 2 月 16 日消息，據(jù)國外媒體報道，激光能作為驅(qū)動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)火星大氣層時將進(jìn)行減速，為未來火星人類殖民地運送物資，也許有一天，能通過該方式將人類運送至火星。
2018 年，美國宇航局主辦工程師設(shè)計挑戰(zhàn)賽，要求參賽者設(shè)計一項火星任務(wù)，在不超過 45 天的時間內(nèi)運送至少 1000 公斤的有效載荷，以及實現(xiàn)太陽系深處和太陽系外部的空間旅行。該挑戰(zhàn)賽要求短時間內(nèi)抵達(dá)火星，其動機是為了將物資成功運送到火星，未來也可能實現(xiàn)載人飛行，讓人類在短短 45 天內(nèi)抵達(dá)火星，同時，該太空旅行盡量減少他們暴露在星際宇宙射線和太陽風(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)將人類從地球運送至火星表面。
麥吉爾大學(xué)的設(shè)計方案被稱為“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)合許多不可見的紅外光束，每一束波長大約 1 微米，總功率為 100 兆瓦 —— 這相當(dāng)于 8 萬個家庭的供電需求。該飛船將環(huán)繞在橢圓形中等地球軌道上，飛船有一個反射器，可將來自地球的激光束導(dǎo)向至一個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 萬華氏度時，其核心周圍的氫氣將達(dá)到 1.8 萬華氏度，并從一個噴嘴噴出產(chǎn)生推力，在 58 分鐘內(nèi)推動飛船離開地球，在地球自轉(zhuǎn)時，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，宇宙飛船將以相對地球、每秒 17 公里的速度快速移動，該速度足以在短短 8 小時內(nèi)穿過地月軌道距離，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題。
這很困難，因為飛船的有效載荷無法攜帶化學(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% 以內(nèi)。未來在火星生活的人員可以建造一個等效激光陣列，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，火星大氣層中實現(xiàn)航空捕獲或者航空制動可能是一個危險的操作，飛船減速度（即負(fù)加速度）將達(dá)到 8G，該狀態(tài)將達(dá)到人類生理承受極限，僅能承受幾分鐘時間，因為只能在一次環(huán)繞火星運行時實現(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；太陽能電力推進(jìn)系統(tǒng)，太陽能光伏電池在太陽光線照射下可產(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，然后通過噴嘴噴出產(chǎn)生推力。
激光推進(jìn)系統(tǒng)能夠使用排場大小的激光陣列完成 1 噸有效載荷的快速運輸任務(wù)，而激光電力推進(jìn)系統(tǒng)僅能使用公里等級陣列完成。“激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)”概念的一個重大優(yōu)勢是具有極低的質(zhì)量功率比，在 0.001-0.010 kg / kW 范圍內(nèi)是“無與倫比”的，該概念遠(yuǎn)低于那些先進(jìn)核動力推進(jìn)技術(shù)，因為能量源仍在地球上，而且傳輸?shù)耐靠捎梢粋€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)時使用的是 10.6 微米 CO2 激光器，這是當(dāng)時功率最大的激光器?，F(xiàn)今 1 微米等級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，這意味著在杜普賴的激光-熱能推進(jìn)概念中，功率輸出焦距超過兩個數(shù)量級。
一支研究小組正在開發(fā)相控陣激光器結(jié)構(gòu)，激光器陣列使用單個大約 100 瓦的激光放大器，每個放大器是一個簡單光纖環(huán)路和一個 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)想未來的火星任務(wù)需要訂制 100 萬個獨立激光放大器。
第一批到達(dá)火星的人類可能不會使用激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，然而，隨著越來越多的人到達(dá)火星，并維持一個長期性殖民基地，我們就需要這樣的推進(jìn)系統(tǒng)，便于人類更快地到達(dá)火星，同時還能避免輻射危害。杜普賴稱，采用激光-熱能推進(jìn)系統(tǒng)的火星任務(wù)可能會在人類首次登陸火星 10 年之后執(zhí)行，推測可能在 2040 年。
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