科學家提出雷射熱推進系統構想，45天抵達火星

雷射能否将宇宙飛船送往火星？加拿大麥吉爾大學的一組科學家回答說可以。

他們提出一項設計，利用地球上一個10米寬的雷射陣列，将航天器尾部的一個腔室内的氫等離子體加熱，利用氫氣産生推力，在 45 天内将航天器送到火星。到達火星後，它将在火星大氣層中進行空中制動，将物資運送給人類殖民者，甚至有朝一日将宇航員送到火星。

2018 年，美國宇航局（NASA）向工程師提出科學挑戰，要求他們設計一項火星任務，可以在不超過 45 天的時間内将至少 1000 公斤的有效載荷送到火星。NASA希望可以用更短時間将貨物和未來的宇航員運送到火星，同時盡量減少他們暴露于宇宙射線和太陽風暴的破壞性影響。作為對比，按照埃隆·馬斯克的太空探索技術公司（ SpaceX）設想，使用其化學燃料火箭進行人類火星之旅将需要六個月的時間。

麥吉爾大學的概念設計稱為雷射熱推進，它依賴于地球基地的紅外雷射器陣列，直徑 10 米，結合許多不可見的紅外光束，每個紅外光束的波長約為 1 微米，總功率為 100 兆瓦，相當于為80000個家庭的供電量。有效載荷将在橢圓形的中地球軌道上運作，上面搭載的一個反射器将來自地球的雷射束引導到含有氫等離子體的加熱室中。然後它的核心被加熱到 40000 開氏度（約39727攝氏度），在核心周圍流動的氫氣将達到 10000 開氏度并從噴嘴中噴出，進而産生推力将飛船從地球上方推開。每次地面雷射加速将間隔58分鐘。（側面推進器将使飛行器在地球旋轉時與雷射束對齊。）

當雷射束停止時，有效載荷以相對于地球約 17 公裡/秒的速度飛馳而去，這個速度足以在短短 8 小時内就讓飛行器飛越月球的軌道距離。當它在一個半月後到達火星大氣層時，仍将以 16 公裡/秒的速度飛行；然而，一旦到達那裡，如何将有效載荷置于火星周圍 150 公裡的軌道上，對于工程團隊來說是一個難以解決的問題。

困難在于，有效載荷不能攜帶化學推進劑來點燃火箭給出反向推力以減慢自身速度。在火星上的人類能夠為飛來的飛船建造一個等效的雷射陣列以使用其反射器和等離子室提供反向推力之前，空中捕獲是在火星上減速有效載荷的唯一方法。

即便如此，火星大氣層中的空中捕獲或空中制動可能是一個冒險的舉動，因為航天器的減速度高達 8 g（ g 是地球表面重力加速度，9.8 m/s2），這基本上是人類承受的極限。而且由于大氣摩擦，飛行器上的大熱通量将超過傳統的熱保護系統材料可以承受的範圍。

該項目的研究者說，雷射熱推進任務概念的一大優勢，是其極低的品質功率比，“雷射熱推進能夠使用排球場大小的雷射陣列實作 1 噸的快速運輸任務”，甚至遠低于先進核推進技術的品質功率比，因為動力源來自地球，并通過低品質的反射器進行處理。研究者預計，在2040年左右，雷射熱推進技術可能變為現實。相關研究發表在《宇航學報》（Acta Astronautica）上。

雷射熱推進系統概念圖