激光能否将宇宙飞船送往火星？美国宇航局挑战骑着激光去火星

地球轨道上的激光热推进航天器等待其离开。

激光能否将宇宙飞船送往火星？这是麦吉尔大学的一个小组提出的一项任务，旨在满足美国宇航局的邀请。激光是地球上一个 10 米宽的阵列，它将在航天器后面的一个腔室中加热氢等离子体，利用氢气产生推力，并在 45 天内将其发送到火星。在那里，它将在火星大气层中进行空中制动，将物资运送给人类殖民者，或者有朝一日甚至人类自己。

2018 年，美国宇航局向工程师提出挑战，要求他们设计一项火星任务，该任务将在不超过 45 天内提供至少 1,000 公斤的有效载荷，以及更长时间地进出太阳系。交货时间短的动机是希望将货物和未来的宇航员运送到火星，同时尽量减少他们暴露于银河宇宙射线和太阳风暴的破坏性影响。埃隆马斯克的 SpaceX设想，使用其化学火箭进行人类火星之旅将需要六个月的时间。

McGill 的概念称为激光热推进，它依赖于基于地球的红外激光器阵列，直径 10 米，结合许多不可见的红外光束，每个红外光束的波长约为 1 微米，总功率为 100 兆瓦——电 大约需要的功率80,000 个美国家庭。有效载荷，在椭圆中地球轨道上运行，将有一个反射器，将来自地球的激光束引导到含有氢等离子体的加热室中。然后它的核心被加热到 40,000 开氏度（72,000 华氏度），在核心周围流动的氢气将达到 10,000 K（18,000 华氏度）并从喷嘴中喷出，产生推力将飞船从地球上推开。间隔58分钟。（侧面推进器将使飞行器在地球旋转时与激光束对齐。）

当光束停止时，有效载荷以相对于地球每秒近 17 公里的速度飞驰而过——速度足以在短短 8 小时内飞越月球的轨道距离。当它在一个半月后到达火星大气层时，仍将以 16 公里/秒的速度飞行；然而，一旦到达那里，将有效载荷放置在火星周围 150 公里的轨道上，对于工程团队来说是一个难以解决的问题。

这很困难，因为有效载荷不能携带化学推进剂来发射火箭以减慢自身速度——所需的燃料会将有效载荷质量减少到原来 1000 公斤的 6% 以下。在这颗红色星球上的人类能够为来袭的飞船建造一个等效的激光阵列以使用其反射器和等离子室提供反向推力之前，航空捕获是在火星上减速有效载荷的唯一方法。

即便如此，火星大气层中的航空捕获或航空制动可能是一个冒险的机动，航天器的减速度高达 8 g（其中 g 是地球表面重力加速度，9.8 m/s2），大约人类的极限，只有几分钟，因为它是在一次绕火星的过程中捕获的。由于大气摩擦，飞行器上的大热通量将超过传统的热保护系统材料，但不是那些正在积极开发的材料。

航天器进入深空（火星等）的激光热推进与之前提出的其他运输方法形成对比，例如激光电力推进，其中激光束将撞击有效载荷后面的光伏（PV）电池；太阳能电力推进，其中光伏电池上的阳光产生推进推力；核电推进，其中核反应堆产生电能，产生离子，将离子从推进器中推出；和核热推进，其中核反应堆的热量将液体转化为气体，然后从喷嘴中喷出以产生推力。

“激光热推进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 - 激光电力推进只能用公里级阵列完成，”该研究的主要作者 Emmanuel Duplay 说，他致力于该项目两年多，同时是麦吉尔大学夏季本科工程研究项目的一部分。Duplay 现在就读于代尔夫特理工大学的航空航天工程理学硕士课程，专攻航天。

Duplay 等人提出的激光热推进任务概念的一大优势。是其极低的质量功率比，在 0.001–0.010 kg/kW 范围内——“无与伦比”，他们写道，“远低于先进核推进技术所引用的那些，因为电源保持开启。地球和传递的通量可以通过低质量充气反射器进行处理。”

激光热推进在 1970 年代首次使用当时最强大的10.6 微米 CO2激光器进行了研究。今天的光纤激光器，1 微米，可以组合成具有大有效直径的大规模平行相控阵，这意味着功率传输的焦距高出两个数量级——在Duplay的激光器中为 50,000 公里——热推进概念。

加州大学圣巴巴拉分校的物理学家 Philip Lubin 领导的一个小组正在开发相控阵激光器的架构。Lubin 小组的阵列使用每个约 100 瓦的单独激光放大器——每个放大器都是一个简单的光纤环路和一个 LED 灯作为泵，并且可以廉价地批量生产——因此这里设想的火星任务需要大约 100 万个个别放大器。

第一批到达火星的人类可能不会使用激光热推进技术到达那里。“然而，随着越来越多的人为了维持一个长期的殖民地而旅行，我们将需要能够更快地到达那里的推进系统——如果只是为了避免辐射危害的话，”杜普莱说。他推测，对火星的激光热发射任务可能会在第一次人类任务之后 10 年发射，因此可能在 2040 年左右。