美國(guó)和中國(guó)都計(jì)劃在未來(lái)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(lái)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)，從地球到火星需要六到九個(gè)月的時(shí)間。

　　即使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(lái)加熱氫氣燃料--可以將到達(dá)火星的過(guò)境時(shí)間減少到僅 45 天。

　　這項(xiàng)研究由 Emmanuel Duplay 領(lǐng)導(dǎo)，他是麥吉爾大學(xué)的畢業(yè)生，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(guò)境火星任務(wù)的設(shè)計(jì)"，最近提交給了《天文學(xué)和天體》雜志。

　　藝術(shù)家對(duì)運(yùn)行中的定向能推進(jìn)激光帆的印象。

　　近年來(lái)，定向能(DE)推進(jìn)一直是相當(dāng)大的研究和興趣的主題。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(guó)宇航局資助的研究的一部分，這些計(jì)劃旨在為星際任務(wù)調(diào)整大規(guī)模定向能應(yīng)用。

　　還有 Breakthrough Starshot 和 Project Dragonfly，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。

　　但是，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。正如 Duplay 通過(guò)電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣。

　　"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)同樣的激光技術(shù)如何用于太陽(yáng)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)的較近的墊腳石。"

突破基金會(huì)發(fā)起的"射星計(jì)劃"旨在成為人類的第一次星際航行

　　除了激光帆板推進(jìn)，DE 正被探索用于其他幾個(gè)空間探索應(yīng)用。這包括與航天器和永久陰影棲息地之間的動(dòng)力傳輸(例如，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 NASA 評(píng)估，并作為 UCSB ECG 和 MIT 之間合作研究的一部分。

　　在這種應(yīng)用中，激光被用來(lái)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(離子引擎)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(lái)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靠近地球時(shí)迅速加速，因此激光不需要聚焦到空間那么遠(yuǎn)。

　　"我們的航天器就像一輛拖拉機(jī)，在仍然靠近地球時(shí)迅速加速。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。"

　　一個(gè)藝術(shù)家對(duì)將促進(jìn)火星任務(wù)的核火箭的概念。

　　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(lái)自其他架構(gòu)的若干技術(shù)。正如 Duplay 所指出的，它們包括。

　　"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(méi)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)元素是至關(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(shuō)。

　　通過(guò)結(jié)合這些元素，激光-熱能火箭可以實(shí)現(xiàn)非常快速的火星過(guò)境，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，它為深空過(guò)境的危險(xiǎn)提出了一個(gè)解決方案，如長(zhǎng)期暴露在輻射和微重力下。

　　藝術(shù)家對(duì)火星軌道上的火星基地營(yíng)的印象。當(dāng)前往火星的任務(wù)開始時(shí)，最大的風(fēng)險(xiǎn)之一將是空間輻射所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　同時(shí)，Duplay 說(shuō)，這項(xiàng)任務(wù)帶來(lái)了一些障礙，因?yàn)樗婕暗脑S多技術(shù)都是尖端的，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(我們的推進(jìn)劑)加熱到超過(guò) 10000K 的溫度時(shí)保持耐受，同時(shí)保持室壁的冷卻?目前的模型說(shuō)這是可行的，但不可能進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，因?yàn)槲覀冞€沒(méi)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(yíng)，以及一個(gè)激光陣列來(lái)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。

　　"埃曼紐爾領(lǐng)導(dǎo)的火星 45 天設(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)的其他近期應(yīng)用。通過(guò)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)。我們的研究考察了激光熱能方法，這看起來(lái)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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