光推進(jìn)技術(shù)簡(jiǎn)介
20多年前，美國(guó)開始研制代號(hào)為“星球大戰(zhàn)”的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在追蹤其他國(guó)家發(fā)射的導(dǎo)彈，并使用激光器將其擊落。雖然這個(gè)系統(tǒng)是為戰(zhàn)爭(zhēng)而設(shè)計(jì)，但研究人員發(fā)現(xiàn)這些高功率激光器還有眾多其他用途。事實(shí)上，有朝一日激光器會(huì)用于將宇宙飛船推向軌道和其他星球。
人類目前使用航天飛機(jī)飛向太空，而航天飛機(jī)要發(fā)射升空，除了要裝好幾噸燃料外，還必須綁兩個(gè)巨大的火箭助推器。激光器可供工程師研制出無需裝載能源的輕型宇宙飛船。光船本身可充當(dāng)引擎，而燃料則是光 ——宇宙中最豐富的一種能源。
光推進(jìn)器的基本原理是用陸基激光器加熱空氣，令其爆炸并推動(dòng)宇宙飛船。倘若奏效，光推進(jìn)器不僅比化學(xué)火箭引擎輕數(shù)千倍、效率高數(shù)千倍，還不會(huì)造成任何污染。在本篇博聞網(wǎng)文章中，我們將了解這種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)的兩個(gè)版本，其中一個(gè)只需五個(gè)半小時(shí)就能把我們從地球帶往月球，而另一個(gè)則能帶我們沿“光路”進(jìn)行太陽系之旅。
光推進(jìn)火箭聽上去就像科幻小說里的宇宙飛船 -- 乘著激光束進(jìn)入太空，它只需少量或無需裝載推進(jìn)劑，而且還無污染。這似乎不可思議，因?yàn)槿祟惿形囱兄瞥鋈魏闻c之相近的設(shè)備可用于地球上常規(guī)的地面或空中旅行。盡管實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可能還需要15-30年，但建造光船的原理已經(jīng)成功實(shí)驗(yàn)了多次。一家名為L(zhǎng)ightcraft Technologies的公司在繼續(xù)改進(jìn)始于倫斯勒理工學(xué)院(位于紐約特洛伊市)的研究。
光船的基本原理非常簡(jiǎn)單——橡子形飛行器利用鏡子接收并聚焦入射激光束，以加熱空氣并使之爆炸，從而推進(jìn)飛行器。下面列出了這種革命性推進(jìn)系統(tǒng)的基本組件：
二氧化碳激光器——Lightcraft Technologies使用脈沖激光損傷測(cè)試系統(tǒng) (PLVTS)，這是星球大戰(zhàn)防御計(jì)劃的產(chǎn)物。試驗(yàn)光船目前使用10千瓦的脈沖激光器，也是全世界功率最大的激光器之一。
拋物柱面鏡——宇宙飛船的底部是一面鏡子，可將激光束聚焦至引擎進(jìn)氣口或機(jī)載推進(jìn)劑。還有一面看似望遠(yuǎn)鏡的鏡子充當(dāng)次級(jí)陸基發(fā)射機(jī)，用于將激光束引導(dǎo)至光船上。
吸收室——將進(jìn)氣引入吸收室，并由激光束加熱膨脹，從而推動(dòng)光船。
機(jī)載氫——當(dāng)大氣過于稀薄，無法提供足夠的空氣時(shí)，需要少量氫推進(jìn)劑提供火箭推力。
光船發(fā)射前會(huì)噴射一股壓縮空氣，這些空氣將使其以大約10,000轉(zhuǎn)/分(rpm)的速度旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)對(duì)陀螺式穩(wěn)定飛行器非常必要。以美式橄欖球?yàn)槔簽榱烁珳?zhǔn)地傳球，四分衛(wèi)會(huì)在踢球時(shí)加以旋轉(zhuǎn)。將旋轉(zhuǎn)施加給這種極輕的飛行器，就能讓其更穩(wěn)定地穿過空氣。
一旦光船以最佳速度旋轉(zhuǎn)，激光器就會(huì)打開，從而將光船推向空中。10千瓦激光器發(fā)射脈沖的頻率是25-28次/秒。通過發(fā)射脈沖，激光器會(huì)繼續(xù)向上推動(dòng)飛行器。光束由飛行器底部的拋物柱面鏡聚焦，并將空氣加熱到9982-29982℃，比太陽表面的溫度還要高好幾倍。空氣在高溫下會(huì)轉(zhuǎn)化為等離子狀態(tài)，然后等離子發(fā)生爆炸并向上推進(jìn)飛行器。
Lightcraft Technologies公司得到FINDS的贊助(早期飛行由美國(guó)宇航局和美國(guó)空軍資助)，在新墨西哥州的白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)一架小型光船樣機(jī)進(jìn)行了幾次測(cè)試。2000年10月，直徑12.2厘米、重量?jī)H50克的小型光船達(dá)到了71米的高度。Lightcraft Technologies希望，能在2001年將該光船樣機(jī)發(fā)送到150多米的高度。將一公斤的衛(wèi)星送入低地球軌道需要1兆瓦特的激光器。盡管該模型是用飛機(jī)鋁制成，但最終的標(biāo)準(zhǔn)光船可能會(huì)由碳化硅打造。
這種激光光船也可以使用鏡子，將其安裝在光船內(nèi)，投射飛船前方的光束能量。激光束發(fā)出的熱量會(huì)形成空氣釘，使飛船四周的空氣轉(zhuǎn)向，從而既能減小阻力，又能減少光船吸收的熱量。
目前有人正在考慮將另一種推進(jìn)系統(tǒng)用于光船，其中涉及到微波。微波能量比激光能量更便宜，也更容易升級(jí)為較高的動(dòng)力，但需要直徑更大的飛船。為這種推進(jìn)器設(shè)計(jì)的光船看上去更像飛碟(實(shí)際上我們正逐步將科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí))。與激光推進(jìn)光船相比，開發(fā)這種技術(shù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但它能帶我們?nèi)ネ庑行恰ｉ_發(fā)人員還設(shè)想修造數(shù)千架這種光船，由一隊(duì)軌道電站提供動(dòng)力，并取代傳統(tǒng)的飛機(jī)。
微波動(dòng)力光船還會(huì)利用沒有飛船之外的能源。使用激光動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，能源是位于地面的。而微波推進(jìn)系統(tǒng)則與之相反。微波推進(jìn)宇宙飛船將依靠軌道太陽能電站向下傳送的動(dòng)力。能源并不會(huì)推離光船，而是將其拉近。
要讓微波光船飛行，科學(xué)家必須首先在軌道中安置一個(gè)直徑為1公里的太陽能電站。領(lǐng)導(dǎo)光船研究的Leik Myrabo認(rèn)為，這樣一個(gè)發(fā)電站可產(chǎn)生高達(dá)20千兆瓦的動(dòng)力。該發(fā)電站沿地球上空500公里的軌道運(yùn)行，并向直徑20米、可搭載12人的光船發(fā)送微波能量。飛行器頂部覆蓋著數(shù)百萬個(gè)小天線，可將微波轉(zhuǎn)換成電流。只需兩個(gè)軌道，發(fā)電站就能匯集1800千兆焦耳的能量，并向光船傳送4.3千兆瓦的動(dòng)力，供其駛?cè)胲壍馈?/p>
該微波光船會(huì)配備兩個(gè)強(qiáng)大的磁體和三種推進(jìn)引擎。光船起飛時(shí)會(huì)利用覆蓋在頂部的太陽能電池產(chǎn)生電流。電流會(huì)電離空氣，然后推動(dòng)飛行器。一旦起飛，微波光船就會(huì)用內(nèi)部反射器加熱周圍的空氣，并穿過聲障。
上升到一定高度后，光船立即向一邊傾斜，以獲得超音速。然后，一半的微波動(dòng)力在光船前方得到反射，從而加熱空氣并形成空氣釘，使飛船以25倍音速穿過空氣，飛入軌道。該飛行器的最高速度大約是音速的50倍。另一半微波動(dòng)力則由飛行器的接收天線轉(zhuǎn)化為電流，用于為兩個(gè)電磁引擎供電。然后兩個(gè)引擎對(duì)滑流(即飛行器周圍流動(dòng)的空氣)進(jìn)行加速。通過使滑流加速，飛行器就能抵消所有聲震，讓光船悄無聲息地以超音速飛行。