科学家提出激光热推进系统的设想,45天抵达火星。

激光能把宇宙飞船送到火星吗?加拿大麦吉尔大学的一组科学家给出了肯定的答案。

他们提出了一个设计,利用地球上10米宽的激光阵列加热飞船尾部一个舱室中的氢等离子体,利用氢气产生推力在45天内将飞船送上火星。到达火星后,它将在火星大气中的空气中制动,向人类殖民者运送物资,甚至有朝一日将宇航员送上火星。

在2018年,美国国家航空航天局挑战工程师设计一个火星任务,可以在不到45天内将至少1000公斤的有效载荷发送到火星。美国国家航空航天局希望在更短的时间内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在宇宙射线和太阳风暴的破坏性影响下。相比之下,根据太空探索技术公司在埃隆·马斯克的想法,人类用化学燃料火箭去火星旅行需要6个月。

麦吉尔大学的概念设计叫激光热推进,依靠地球基地上的红外激光阵列,直径10米。结合多条不可见的红外光束,每条红外光束的波长约为1微米,总功率为100 MW,相当于为8万户家庭供电。有效载荷将在椭圆形的中地轨道上运行,其上携带的反射器将把激光束从地球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40000开尔文(约39727摄氏度),围绕核心流动的氢气将达到10000开尔文并从喷嘴喷出,从而产生推力推动航天器远离地球。每次地面激光加速将相隔58分钟。随着地球的旋转,侧向推进器将使飞机与激光束对准。)

当激光束停止时,有效载荷以相对地球约17 km/s的速度飞离,这足以使飞行器在短短8小时内飞过月球的轨道距离。一个半月后到达火星大气层时,仍将以16 km/s的速度飞行;然而,一旦到了那里,如何将有效载荷放入绕火星150公里的轨道,这是工程团队面临的难题。

难点在于有效载荷无法携带化学推进剂点燃火箭并给出反推力来减缓自身速度。在火星上的人类能够为飞行的航天器建立一个等效的激光阵列,以其反射器和等离子体室提供反推力之前,空中捕捉是减缓火星上有效载荷的唯一方法。

即便如此,在火星大气中进行空气捕获或空气制动可能是一个冒险的举动,因为飞船的减速度高达8 g( g是地球表面的重力加速度,9.8 m/s2),这基本上是人类能够承受的极限。而且由于大气摩擦,飞机上的热流会超过传统热防护系统材料所能承受的范围。

该项目的研究人员表示,激光热推进任务概念的优势之一是其极低的质量功率比。“激光热推进可以用一个排球场大小的激光阵列实现1吨的快速运输任务”,甚至远低于先进核推进技术的质功比,因为动力源来自地球,经过低质量的反射器处理。研究人员预测,激光热推进技术可能在2040年左右成为现实。相关研究发表在《宇航学报》上。