激进的想法表明激光推进可以迅速加速火星之旅

美国宇航局和中国计划在未来十年内执行载人火星任务。虽然这代表了太空探索方面的巨大飞跃，但也带来了重大的后勤和技术挑战。

首先，只有在我们的两颗行星在其轨道上彼此最近的点（在“对冲”期间）时，才能每 26 个月向火星发射一次任务。使用目前的技术，从地球到火星需要六到九个月的时间。

即使使用核热或核电推进 (NTP/NEP)，单程过境也可能需要 100 天才能到达火星。

然而，蒙特利尔麦吉尔大学的一组研究人员评估了激光热推进系统的潜力。根据他们的研究，依靠新型推进系统（使用激光加热氢燃料）的航天器可以将前往火星的运输时间缩短至仅 45 天！

激光热力推进系统的概念渲染。（杜佩莱等人，2022）

这项研究由麦吉尔大学毕业生、目前就读于代尔夫特理工大学航空航天工程硕士的Emmanuel Duplay领导。安德鲁·希金斯副教授和麦吉尔大学机械工程系的多名研究人员也加入了他的行列。

他们的研究题为“使用激光热推进快速穿越火星任务的设计”，最近提交给了《天文学与天文学》杂志。

近年来，定向能（DE）推进已成为研究和兴趣的主题。示例包括由Phillip Lubin 教授和UCSB 实验宇宙学小组(ECG)开发的星光计划- 也称为星际探索定向能推进 (DEEP-IN) 和定向能星际研究 (DEIS) 计划。

作为 2009 年开始的 NASA 资助研究的一部分，这些计划旨在使大规模 DE 应用适应星际任务。

还有Breakthrough Starshot和Project Dragonfly，这两个项目都来自于 2013 年由星际研究倡议(i4iS)主持的一项设计研究。这些概念需要一个千兆瓦功率的激光阵列来将光帆和小型航天器加速到一小部分光速（又称相对论速度）在几十年内到达附近的恒星系统，而不是几百年或几千年。

但是，尽管这些概念的焦点是星际，但 Duplay 和他的同事们探索了星际概念的可能性。

正如 Duplay 通过电子邮件向 Universe Today 解释的那样：

“定向能量推进的最终应用是将光帆推进到恒星以进行真正的星际旅行，这种可能性激发了我们进行这项研究的团队。我们对如何将相同的激光技术用于快速运输感兴趣太阳系，有望成为近期展示该技术的垫脚石。”

除了激光帆推进之外，DE 还在探索其他几个太空探索应用。这包括往返于航天器和永久阴影栖息地（例如，阿尔忒弥斯计划）的电力传输、通信、小行星防御以及寻找可能的技术特征。

NASA正在研究激光电动航天器的概念，这是UCSB ECG 和 MIT合作研究的一部分。

对于此应用，激光用于向航天器上的光伏阵列供电，然后将其转化为电能为霍尔效应推进器（离子发动机）提供动力。这个想法类似于核电推进(NEP) 系统，其中激光阵列取代了核反应堆。正如 Duplay 解释的那样，他们的概念是相关的但不同的：

“我们的方法是对这些概念的补充，因为它使用相同的相控阵激光概念，但会在航天器上使用更强烈的激光通量来直接加热推进剂，类似于一个巨大的蒸汽壶。这使得航天器能够当它仍在地球附近时会迅速加速，因此激光不需要聚焦到太空中那么远。

“我们的航天器就像一个高速赛车，在靠近地球的同时加速非常快。我们相信我们甚至可以使用相同的激光动力火箭发动机将助推器带回地球轨道，在它将主飞行器抛向火星后，使其能够以便为下一次发射快速回收。”

在这方面，Duplay 和他的同事提出的概念类似于核热推进 (NTP) 系统，其中激光取代了核反应堆。

除了 DE 和氢推进剂之外，激光热航天器的任务架构还包括来自其他架构的多项技术。正如 Duplay 所指出的，它们包括：

“[A] 用作单个光学元件的光纤激光器阵列、可用于在激光束到达航天器进入加热室时将其聚焦的充气空间结构，以及开发高温材料让航天器在抵达时突破火星大气层。”

最后一个元素是必不可少的，因为火星上没有激光阵列可以在航天器到达火星后对其进行减速。

“充气反射器是其他定向能量架构的关键：设计为高反射性，它可以在单位面积上承受比光伏面板更大的激光功率，与激光电推进力，”Duplay 补充道。

通过结合这些元素，激光热能火箭可以在短短六周内实现非常快速的火星穿越——这在以前被认为只有核动力火箭发动机才有可能。

最直接的好处是它提供了一种解决深空过境危害的解决方案，例如长时间暴露在辐射和微重力下。

与此同时，Duplay 说，这项任务也存在一些障碍，因为其中涉及的许多技术都是最先进的，并且尚未经过测试：

“激光加热室可能是最重大的挑战：我们能否在氢气被激光束加热到超过 10,000 K 的同时保持室壁凉爽的同时包含我们的推进剂？我们的模型说这是可行的，但目前无法进行全面的实验测试，因为我们还没有制造出所需的 100 MW 激光器。”

虽然这个提议的任务架构中的大部分技术——以及其他类似的提议——仍处于理论和开发阶段，但它们的潜力是毫无疑问的。

将到达火星的时间从几个月减少到几周，将解决火星任务的两个最大挑战——后勤和健康方面的考虑。

此外，建立地球和火星之间的快速交通系统将加速地球和火星之间的基础设施建设。这可能包括火星轨道上的类似网关的空间站，如洛克希德马丁公司提出的火星大本营，以及用于减速进入航天器的激光阵列。

这些设施的存在也将加速在地表建立永久人类存在的计划。

正如希金斯教授总结的那样：

“Emmanuel 领导的为期 45 天的火星设计研究的动机是探索 Philip Lubin 小组正在开发的相控阵激光技术的其他近期应用。通过激光将能量输送到太空深处的能力将是一项"