在地球轨道上等待发射的激光热能推进飞船。图片来源：知识共享署名4.0国际协议（CC BY 4.0）
可以用激光把航天器送到火星吗？麦吉尔大学的科研小组应美国国家航空航天局（NASA）的要求开展了一项任务。该激光器是一个架设在地面上的10米宽阵列，通过加热飞船后端的仓室中的等离子体氢气来产生推力，仅用45天即可将飞船送抵火星。更进一步，航天器可以在火星的大气层中进行空中制动，用于运送火星殖民所需物资，甚至有朝一日承担运载人类的任务。
美国宇航局曾在2018年向工程师们提出了一个难题，要求他们设计一项前往火星的任务，即在45天内向火星运送至少1000公斤的有效荷载，同时也能用于深入或离开太阳系的长途旅行。较短的传送时间则是为了尽量减少人类在运送货物或宇航员到火星的过程中因暴露在银河系宇宙射线及太阳风暴下所受到的影响。而埃隆马斯克（Elon Musk）的SpaceX公司设想的火星之旅则是使用基于化学火箭推动的飞船，需要六个月到达火星。麦吉尔大学的研究方案亦称为激光热力推进，主要由一组直径为10米的地面红外激光器阵列构成，阵列包含众多不可见的红外光束，每个光束的波长约为1微米，总功率高达100兆瓦，相当于约80,000户美国家庭所需的电能。
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有效负载会运行在地球椭圆轨道上，用反射器把来自地球的激光束导入含有等离子氢气的加热室。随着其内核被加热到40000开尔文（72000华氏度），围绕内核流动的氢气也将达到10000开尔文（18000华氏度），氢气从喷嘴排出产生推力，将飞船在58分钟内推离地球。（侧推器将使飞船在地球旋转时与激光束方向对齐）。光束闭合后，航天器将以每秒17公里的速度相对地球移动，速度快到足以在短短8小时内经过月球的轨道距离。当飞船在一个半月后到达火星大气层时，它仍将以每秒16公里的速度飞行；然而，科学家在控制航天器围绕150km的火星轨道飞行时却碰到了一个难题。这个问题很难解决，因为运载航天器不能配备用于减速的化学推进器——化学燃料会导致航天器运输力下降，其有效负载将少于6kg而非原定的1000kg。直到人类也可以在火星上为抵达的飞船建造一个相同的激光阵列，利用反射器和等离子体室来提供反向推力之前，空中对接可能是在火星上对负重进行减速的唯一方法。即使如此，在火星大气层中的空中对接（空中制动）也可能存在风险，航天器在绕火星公转一圈内将被捕获，在这几分钟内航天器将会达到8g的减速率（其中g是地球表面的重力加速度，9.8m/s2），这也是人类能承受的加速度极限。大气摩擦会使飞船上产生大量热量，并且将超过传统的热保护系统材料的承受限度。不过，人类还在积极研发新的受热材料。
除了激光-热力推进方案，此前针对深空任务（火星以及更远的目的地）提出的运输方案也包括：激光电力推进系统，用激光束激发航天器后端的光伏（PV）电池形成推力；太阳能电力推进系统，让阳光在光伏电池上产生推力；核电推进系统，核反应堆产生的电力生成离子形成推力；以及核热推进系统，核反应堆的热量将液体转化为气体通过喷嘴推出气体产生推力。
该研究的主要作者Emmanuel Duplay是来自代尔夫特理工大学航空航天工程专业的硕士生，他说道：“激光-热力推进能够用排球场大小的激光阵列实现1吨的快速运输任务，相比之下激光-电力推进却要用到千米级的阵列。”Duplay在麦吉尔大学夏季工程本科研究项目中为该项目工作两年了，他的主攻方向正是航空航天飞行。Duplay等人提出的激光-热力推进概念的一个巨大优势在于其极低的质量功率比，约0.001-0.010公斤/千瓦。他们表示，这项技术无与伦比，其质量功率比甚至远远低于先进的核推进技术。试想其动力源设在地球上，且所提供的能流可以借助一个低质量的充气反射器得以实现。20世纪70年代，人们首次使用10.6微米的二氧化碳激光器研究激光热力推进，这是当时效果最好的的激光器。而今天的光纤激光器，波长为1微米，可以在大规模平行的相控阵中进行组合，获得更大的有效直径，这意味着其焦距上的能量传输比先前高出两个数量级，在Duplay的激光-热力推进设想中功率传输的焦距为50,000公里。Duplay解释道，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Philip Lubin领导的小组正在研发一种更好的激光器的架构。Lubin小组的阵列使用每个约100瓦的单个激光放大器——每个放大器由一个简单的光纤回路和一个作为泵的LED灯组成，量产成本低，而如果是要实现火星旅途，则需要100万个这样的放大器。
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Duplay认为：“第一批前往火星的人类大概率不会使用激光热力推进技术的航天器。但是，随着越来越多的人类移民火星，我们将需要更快的推进系统来进行人类移民计划，以降低宇宙射线对人类的危害。”该技术可能会在第一批人类登陆火星10年后开始应用，也许会是2040年左右。
撰文：David Appell
翻译：范嘉豪
审校：董子晨曦
引进来源：物理学家组织网
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