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    騎著激光去太空!激光熱推進系統構想讓你45天內抵達火星
    2022-02-24 09:47:37 來源:DeepTech深科技 編輯:

    如果對 20 世紀以來人類最重大的發明做一個評選,相信有著“最亮的光”“最快的刀”之稱的激光必定能夠在其中占據一席之地。

    1960 年 5 月 15 日,人類歷史上第一束激光面世,自此激光開始進入實用階段,并迅速在工業、農業、醫療、軍事等領域大放異彩。而隨著人們對激光的了解日趨加深,科學家們也開始嘗試探索激光更多的應用可能。

    比如,激光是否可以推動宇宙飛船進入火星呢?

    近日,來自加拿大麥吉爾大學的科研團隊對這個大膽的設想作出了回應,認為其是完全可以實現的。

    該團隊提出一種激光熱推進系統構想,希望借助一個位于地球表面上的大型激光矩陣,將儲存于太空飛行器末端的氫等離子體(plasma)加熱,從而產生強大的推動力,以將飛行器迅速送往火星,整個過程預計只需 45 天[1]。

    而此前,太空探索技術公司(SpaceX)同樣針對火星探索提出過一種解決方案,但他們采用的是依靠化學燃料來推動火箭,預計耗時長達 6 個月。這也意味著高效的激光熱推進能夠實現快速的行星際任務,進而可對整個太空探索及運輸計劃產生積極影響。

    該研究成果發表在 Acta Astronautica 期刊上,相關論文以《使用激光熱推進快速穿越火星任務的設計》(Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion)為題,第一作者是麥吉爾大學工程學士伊曼紐爾·杜佩萊(Emmanuelle Duplay)。

    圖 | 相關論文(來源:Acta Astronautica)

    事實上,激光熱推進作為一種新型推進技術,相比傳統火箭推動方式來說,在成本和有效載荷比上都有著顯著優勢,且早已被全球各個國家重視并廣泛用于衛星發射和軌道控制等領域。因此,該團隊的設想并不是憑空想象。

    據了解,杜佩萊團隊之所以會產生借助激光矩陣進入火星的想法,其實是為了完成美國宇航局(NASA)在 2018 年發起的一項挑戰。

    當時,NASA 要求科學家們設計出一套方案,以“在不超過 45 天內提供至少 1000 公斤的有效載荷,以及更長時間地進出太陽系。”該項任務若能成功完成,將在很大程度上減少未來宇航員們在太空飛行中所遭遇的身體損傷,比如宇宙射線帶來的輻射。

    然而難題在于,科學家們已經意識到火箭燃料的推力并不足以讓人類抵達火星等更遠的地方,新的動力亟需出現。

    這種情況下,麥吉爾大學的研究團隊自然而然將目光鎖向了備受關注的激光推進技術。

    在該團隊的設想中,激光熱推進系統將舍棄航天器必須攜帶的大量燃料,轉而用激光來代替,從而讓航天器更輕,速度更快。

    其具體的原理是,利用位于地球上的大型激光陣列,遠距離發射眾多高能激光束。當航天器按照既定軌道在地月空間飛行時,便會通過充氣裝置,將這些不可見的激光束聚集到一個氫氣加熱室,該加熱室類似于火箭上的燃燒室,不同的是,其內含有氫等離子體。

    而后,當聚攏在一起的激光在能量密度到達某一個臨界點時,加熱室內流動的氫氣便會通過噴嘴排出,形成強大的推動力,從而推動航天器迅速飛行。

    據悉,通過這種推進方式,航天器的速度將突破 17 公里/秒。而這意味著其能夠在不超過半天的時間內就穿越月球的軌道距離。最重要的是,即使在 45 天之后,該航天器仍然能夠維持近似的速度繼續飛行。

    然而,新的問題隨之出現,在航天器抵達火星大氣層后,又該如何將快速飛行中的有效載荷成功安置在既定位置呢?

    此前,運載有效載荷的航天器通常借助化學燃料的反作用力來進行降速,但激光推進系統顯然缺乏這一必要條件。

    該團隊表示,在建造火星激光矩陣之前,或許“空中捕獲將成為火星上減速有效載荷的唯一方法。”不過,這種減速方式具備相當高的風險。由于激光推進產生的高速度,空中捕獲將很容易導致強烈的大氣摩擦,這對航天器上的熱系統保護材料來說是個很大的考驗。

    但不管如何,激光熱推進系統概念都代表著一種先進的動力技術。此外,該系統可以實現前所未有的 0.01kg/kW 或更小的質量功率比。

    “激光熱推進的一大優勢在于,能夠使用排球場大小的激光陣列實現 1 噸的快速運輸任務,”杜佩萊說。他進一步解釋道,“其質量功率比甚至遠低于核推進技術,因為它的動力源來自地球,并可以通過低質量充氣反射器進行處理。”

    不過,在杜佩萊看來,激光熱推進技術目前并不成熟,想要成為現實,可能仍需要將近 20 年時間的持續發展。

    關鍵詞: 激光熱推進 系統構想 抵達火星

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