航天大國都計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個月，當(dāng)我們的兩顆行星處于彼此軌道的最近點時（“對角”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個月的時間。

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)的一個研究小組評估了激光-熱推進(jìn)系統(tǒng)的潛力。根據(jù)他們的研究，一個依靠新型推進(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)火星的過境時間減少到僅45天。

這項研究由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”，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）計劃，由菲利普·盧賓教授和加州大學(xué)洛杉磯分校實驗宇宙學(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研究項目，這兩個項目都是由星際研究計劃（i4iS）在2013年主持的設(shè)計研究中產(chǎn)生的。這些概念要求用一個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)，而不是幾個世紀(jì)或幾千年后。

雖然這些概念都是以星際為重點，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隊進(jìn)行這項研究。我們對激光技術(shù)如何用于太陽系的快速運輸感興趣，希望這將是一個能夠證明該技術(shù)的工作?！盌uplay說到。

除了激光帆板推進(jìn)，DE正被探索用于其他幾個空間探索。這包括與航天器和永久陰影棲息地之間的動力傳輸（如阿特米斯計劃）、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估，并作為加州大學(xué)洛杉磯分校實驗宇宙學(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)動機）的動力。這個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。

“我們的方法是對這些概念的補充，因為它使用相同的相控陣激光器概念，但將在航天器上使用更強烈的激光流量來直接加熱推進(jìn)劑，類似于一個巨大的蒸汽壺。這可以讓航天器在仍然受地球引力影響時迅速加速，因此激光不需要聚焦到空間那么遠(yuǎn)?！盌uplay解釋道，“我們相信，我們甚至可以使用相同的激光動力火箭發(fā)動機將助推器帶回地球軌道，在它將主運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)時能抵御火星大氣層的沖擊?！?/p>

鑒于火星上沒有激光陣列，一旦航天器到達(dá)火星就會減速，這最后一個因素是至關(guān)重要的。“充氣反射器是其他定向能架構(gòu)的一個關(guān)鍵：被設(shè)計成高度反射，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，這個任務(wù)以適度的激光陣列尺寸是可行的，”Duplay補充說。

通過結(jié)合這些元素，激光-熱能火箭可以實現(xiàn)非常快速的火星任務(wù)，時間將短至六周——這在以前被認(rèn)為只有核動力火箭發(fā)動機才可能做到。最直接的好處是，它為深空飛行的危險如長期暴露在輻射和微重力下，提出了一個解決方案。

同時，Duplay說，這項任務(wù)帶來了一些障礙，因為所涉及的許多技術(shù)都是尖端的，還沒有經(jīng)過測試?！凹す饧訜崾铱赡苁亲钪卮蟮奶魬?zhàn)。我們能否在激光束將氫氣（推進(jìn)劑）加熱到超過10000K的溫度時保持耐受，同時保持室壁的冷卻。目前的模型認(rèn)為這是可行的，但尚不能進(jìn)行全面的實驗測試，因為我們還沒有建造所需的100兆瓦激光器。”

雖然這個擬議的任務(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)火星的時間減少到幾周而不是幾個月，將解決火星任務(wù)的兩個最大挑戰(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快速運輸系統(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)計研究的動機，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顛覆性的推進(jìn)和動力技術(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?！?/p>