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航天大國都計(jì)劃在未來十年向火星發(fā)射載人任務(wù)。雖然這代表了空間探索方面的巨大飛躍，但它也帶來了重大的后勤和技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，每隔26個(gè)月，當(dāng)我們的兩顆行星處于彼此軌道的最近點(diǎn)時(shí)（“對(duì)角”期間），才能向火星發(fā)射任務(wù)。使用目前的技術(shù)，從地球到火星需要6~9個(gè)月的時(shí)間。
即便使用核熱或核電推進(jìn)（NTP/ NEP），單程可能需要100天才能到達(dá)火星。然而，蒙特利爾麥吉爾大學(xué)的一個(gè)研究小組評(píng)估了激光-熱推進(jìn)系統(tǒng)的潛力。根據(jù)他們的研究，一個(gè)依靠新型推進(jìn)系統(tǒng)的航天器——激光被用來加熱氫氣燃料——可以將到達(dá)火星的過境時(shí)間減少到僅45天。
這項(xiàng)研究由Emmanuel Duplay領(lǐng)導(dǎo)，他目前是代爾夫特理工大學(xué)航空航天工程碩士生。他與安德魯·希金斯副教授和麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系的多名研究人員一起工作。他們的研究題為“利用激光-熱力推進(jìn)的快速過境火星任務(wù)的設(shè)計(jì)”，最近該方案提交給了《天文學(xué)和天體》雜志。
近年來，定向能（DE）推進(jìn)一直是相當(dāng)主流的研究主題。這方面的例子包括星光計(jì)劃——也被稱為星際探索定向能推進(jìn)（DEEP-IN）和定向能星際研究（DEIS）計(jì)劃，由菲利普·盧賓教授和加州大學(xué)洛杉磯分校實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)小組（ECG）開發(fā)。作為2009年開始的美國航空航天局資助的研究的一部分，這些計(jì)劃旨在為星際任務(wù)探索大規(guī)模定向能應(yīng)用。
還有Breakthrough Starshot和Dragonfly研究項(xiàng)目，這兩個(gè)項(xiàng)目都是由星際研究計(jì)劃（i4iS）在2013年主持的設(shè)計(jì)研究中產(chǎn)生的。這些概念要求用一個(gè)千兆瓦功率的激光陣列將光帆和小型航天器加速到光速的一小部分（又稱相對(duì)論速度），以便在幾十年內(nèi)到達(dá)附近的恒星系統(tǒng)，而不是幾個(gè)世紀(jì)或幾千年后。
雖然這些概念都是以星際為重點(diǎn)，但Duplay和他的同事們探討了星際概念的可能性。
“定向能推進(jìn)的最終應(yīng)用是將光帆推進(jìn)到星際，進(jìn)行真正的星際旅行，這種可能性促使我們的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行這項(xiàng)研究。我們對(duì)激光技術(shù)如何用于太陽系的快速運(yùn)輸感興趣，希望這將是一個(gè)能夠證明該技術(shù)的工作。”Duplay說到。
除了激光帆板推進(jìn)，DE正被探索用于其他幾個(gè)空間探索。這包括與航天器和永久陰影棲息地之間的動(dòng)力傳輸（如阿特米斯計(jì)劃）、通信、小行星防御和尋找可能的技術(shù)特征。還有關(guān)于激光-電力航天器的概念正在被美國航空航天局評(píng)估，并作為加州大學(xué)洛杉磯分校實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)小組和麻省理工學(xué)院之間合作研究的一部分。
在這種應(yīng)用中，激光被用來向航天器上的光伏陣列提供電力，這些電力被轉(zhuǎn)換為霍爾效應(yīng)推進(jìn)器（離子發(fā)動(dòng)機(jī)）的動(dòng)力。這個(gè)想法類似于核電推進(jìn)（NEP）系統(tǒng)，其中激光陣列取代了核反應(yīng)堆的位置。正如Duplay所解釋的，他們的概念是相關(guān)的，但又是不同的。
“我們的方法是對(duì)這些概念的補(bǔ)充，因?yàn)樗褂孟嗤南嗫仃嚰す馄鞲拍睿珜⒃诤教炱魃鲜褂酶鼜?qiáng)烈的激光流量來直接加熱推進(jìn)劑，類似于一個(gè)巨大的蒸汽壺。這可以讓航天器在仍然受地球引力影響時(shí)迅速加速，因此激光不需要聚焦到空間那么遠(yuǎn)。”Duplay解釋道，“我們相信，我們甚至可以使用相同的激光動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將助推器帶回地球軌道，在它將主運(yùn)載工具拋向火星之后，使其能夠快速回收，用于下一次發(fā)射。”在這方面，Duplay和他的同事提出的概念類似于核熱推進(jìn)（NTP）系統(tǒng)，其中激光取代了核反應(yīng)堆。除了DE和氫推進(jìn)劑之外，激光-熱能航天器的任務(wù)架構(gòu)還包括來自其他架構(gòu)的若干技術(shù)。
Duplay指出，“作為單一光學(xué)元件的光纖激光器射線，當(dāng)激光束到達(dá)航天器進(jìn)入加熱室時(shí)可用于聚焦的充氣式空間結(jié)構(gòu)，以及開發(fā)高溫材料，使航天器在到達(dá)時(shí)能抵御火星大氣層的沖擊。”
鑒于火星上沒有激光陣列，一旦航天器到達(dá)火星就會(huì)減速，這最后一個(gè)因素是至關(guān)重要的。“充氣反射器是其他定向能架構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵：被設(shè)計(jì)成高度反射，它可以維持比光伏板更大的單位面積激光功率，與激光-電力推進(jìn)相比，這個(gè)任務(wù)以適度的激光陣列尺寸是可行的，”Duplay補(bǔ)充說。
通過結(jié)合這些元素，激光-熱能火箭可以實(shí)現(xiàn)非常快速的火星任務(wù)，時(shí)間將短至六周——這在以前被認(rèn)為只有核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)才可能做到。最直接的好處是，它為深空飛行的危險(xiǎn)如長期暴露在輻射和微重力下，提出了一個(gè)解決方案。
同時(shí)，Duplay說，這項(xiàng)任務(wù)帶來了一些障礙，因?yàn)樗婕暗脑S多技術(shù)都是尖端的，還沒有經(jīng)過測(cè)試。“激光加熱室可能是最重大的挑戰(zhàn)。我們能否在激光束將氫氣（推進(jìn)劑）加熱到超過10000K的溫度時(shí)保持耐受，同時(shí)保持室壁的冷卻。目前的模型認(rèn)為這是可行的，但尚不能進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，因?yàn)槲覀冞€沒有建造所需的100兆瓦激光器。”
雖然這個(gè)擬議的任務(wù)架構(gòu)中的大部分技術(shù)以及其他類似的提議仍處于理論和開發(fā)階段，但它們的潛力是毋庸置疑的。將到達(dá)火星的時(shí)間減少到幾周而不是幾個(gè)月，將解決火星任務(wù)的兩個(gè)最大挑戰(zhàn)，主要是為了后勤和健康考慮。
此外，在地球和火星之間建立一個(gè)快速運(yùn)輸系統(tǒng)，將加速地球和火星之間基礎(chǔ)設(shè)施的建立。這可能包括在火星軌道上建立一個(gè)類似Gateway的空間站，就像洛克希德·馬丁公司提議的火星大本營，以及一個(gè)激光陣列來減速進(jìn)入的航天器。這些設(shè)施的存在也將加速在火星表面建立永久性人類存在的計(jì)劃。正如希金斯教授所總結(jié)的：“Duplay領(lǐng)導(dǎo)的火星45天飛行設(shè)計(jì)研究的動(dòng)機(jī)，是探索菲利普·盧賓小組正在開發(fā)的相控陣激光技術(shù)的其他應(yīng)用。通過激光向太空深處輸送能量的能力將是一項(xiàng)顛覆性的推進(jìn)和動(dòng)力技術(shù)。我們研究考察了激光熱能方法，這看起來令人鼓舞，但激光技術(shù)本身才是真正的游戲規(guī)則改變者。”
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