大胆预测：使用激光器阵列可实现45天到达火星

2018年，美国宇航局主办工程师设计挑战赛，要求参赛者设计一项火星任务，在不超过45天的时间内运送至少1000公斤的有效载荷，以及实现太阳系深处和太阳系外部的空间旅行。该挑战赛要求短时间内抵达火星，其动机是为了将物资成功运送到火星，未来也可能实现载人飞行，让人类在短短45天内抵达火星，同时，该太空旅行尽量减少他们暴露在星际宇宙射线和太阳风暴的破坏影响下。SpaceX公司执行总裁埃隆·马斯克（Elon Musk）曾大胆设想——基于化学燃料火箭，可在半年内将人类从地球运送至火星表面。

麦吉尔大学的设计方案被称为“激光-热能推进系统”，依靠地面一组红外激光器，宽度10米，结合许多不可见的红外光束，每一束波长大约1微米，总功率为100兆瓦——这相当于8万个家庭的供电需求。该飞船将环绕在椭圆形中等地球轨道上，飞船有一个反射器，可将来自地球的激光束导向至一个包含氢等离子体的加热舱中，当加热舱核心被加热到7.2万华氏度时，其核心周围的氢气将达到1.8万华氏度，并从一个喷嘴喷出产生推力，在58分钟内推动飞船离开地球，在地球自转时，侧推进器将使飞船与激光束保持方向一致。

当发射激光束停止时，宇宙飞船将以相对地球、每秒17公里的速度快速移动，该速度足以在短短8小时内穿过地月轨道距离，大约45天之后宇宙飞船将到达火星大气层，此时它仍以每秒16公里的速度飞行。然而，一旦到达火星轨道，对于工程师而言，如何将宇宙飞船的有效载荷保持在火星轨道是非常棘手的问题。

这很困难，因为飞船的有效载荷无法携带化学推进剂使火箭减速——该状态下所需燃料将有效载荷质量减少至最初1000公斤的6%以内。未来在火星生活的人员可以建造一个等效激光阵列，用于飞船降速，利用其反射器和等离子体舱提供反向推力之前，航空捕获是飞船在火星轨道减速的唯一方法。

即便如此，火星大气层中实现航空捕获或者航空制动可能是一个危险的操作，飞船减速度（即负加速度）将达到8g，该状态将达到人类生理承受极限，仅能承受几分钟时间，因为只能在一次环绕火星运行时实现航空捕获，受火星大气摩擦影响，飞船的最大热通量将高于传统热保护系统材料，但不是那些当前正在积极开发研制的新材料。

配备“激光-热能推进系统”的宇宙飞船可进入深太空或者火星轨道，该方案与之前提出的其他太空传输方案形成鲜明对比，例如：激光-电力推进系统，激光束冲击飞船有效载荷后方的光伏电池；太阳能电力推进系统，太阳能光伏电池在太阳光线照射下可产生能量，从而产生推进宇宙飞船行进的推力；核电力推进系统，即核反应堆产生电力，该电力产生离子推动推进器；此外还有核热推进系统，核反应堆的热量将液体转化为气体，然后通过喷嘴喷出产生推力。

激光推进系统能够使用排场大小的激光阵列完成1吨有效载荷的快速运输任务，而激光电力推进系统仅能使用公里等级阵列完成。“激光-热能推进系统”概念的一个重大优势是具有极低的质量功率比，在0.001-0.010 kg/kW范围内是“无与伦比”的，该概念远低于那些先进核动力推进技术，因为能量源仍在地球上，而且传输的通量可由一个低质量充气反射器处理。

上世纪70年代，科学家首次研究激光-热能推进技术，当时使用的是10.6微米CO2激光器，这是当时功率最大的激光器。现今1微米等级的光纤激光器可以大规模平行组合，相控阵具有较大的有效直径，这意味着在杜普赖的激光-热能推进概念中，功率输出焦距超过两个数量级。

一支研究小组正在开发相控阵激光器结构，激光器阵列使用单个大约100瓦的激光放大器，每个放大器是一个简单光纤环路和一个LED灯做为“泵”，该放大器可以批量生产，成本不高，所以我们可以设想未来的火星任务需要订制100万个独立激光放大器。

第一批到达火星的人类可能不会使用激光-热能推进系统技术，然而，随着越来越多的人到达火星，并维持一个长期性殖民基地，我们就需要这样的推进系统，便于人类更快地到达火星，同时还能避免辐射危害。杜普赖称，采用激光-热能推进系统的火星任务可能会在人类首次登陆火星10年之后执行，推测可能在2040年。（叶倾城）