科学家提出激光热推进系统构想，45天抵达火星

激光能否将宇宙飞船送往火星？加拿大麦吉尔大学的一组科学家回答说可以。

他们提出一项设计，利用地球上一个10米宽的激光阵列，将航天器尾部的一个腔室内的氢等离子体加热，利用氢气产生推力，在 45 天内将航天器送到火星。到达火星后，它将在火星大气层中进行空中制动，将物资运送给人类殖民者，甚至有朝一日将宇航员送到火星。

2018 年，美国宇航局（NASA）向工程师提出科学挑战，要求他们设计一项火星任务，可以在不超过 45 天的时间内将至少 1000 公斤的有效载荷送到火星。NASA希望可以用更短时间将货物和未来的宇航员运送到火星，同时尽量减少他们暴露于宇宙射线和太阳风暴的破坏性影响。作为对比，按照埃隆·马斯克的太空探索技术公司（ SpaceX）设想，使用其化学燃料火箭进行人类火星之旅将需要六个月的时间。

麦吉尔大学的概念设计称为激光热推进，它依赖于地球基地的红外激光器阵列，直径 10 米，结合许多不可见的红外光束，每个红外光束的波长约为 1 微米，总功率为 100 兆瓦，相当于为80000个家庭的供电量。有效载荷将在椭圆形的中地球轨道上运行，上面搭载的一个反射器将来自地球的激光束引导到含有氢等离子体的加热室中。然后它的核心被加热到 40000 开氏度（约39727摄氏度），在核心周围流动的氢气将达到 10000 开氏度并从喷嘴中喷出，从而产生推力将飞船从地球上方推开。每次地面激光加速将间隔58分钟。（侧面推进器将使飞行器在地球旋转时与激光束对齐。）

当激光束停止时，有效载荷以相对于地球约 17 公里/秒的速度飞驰而去，这个速度足以在短短 8 小时内就让飞行器飞越月球的轨道距离。当它在一个半月后到达火星大气层时，仍将以 16 公里/秒的速度飞行；然而，一旦到达那里，如何将有效载荷置于火星周围 150 公里的轨道上，对于工程团队来说是一个难以解决的问题。

困难在于，有效载荷不能携带化学推进剂来点燃火箭给出反向推力以减慢自身速度。在火星上的人类能够为飞来的飞船建造一个等效的激光阵列以使用其反射器和等离子室提供反向推力之前，空中捕获是在火星上减速有效载荷的唯一方法。

即便如此，火星大气层中的空中捕获或空中制动可能是一个冒险的举动，因为航天器的减速度高达 8 g（ g 是地球表面重力加速度，9.8 m/s2），这基本上是人类承受的极限。而且由于大气摩擦，飞行器上的大热通量将超过传统的热保护系统材料可以承受的范围。

该项目的研究者说，激光热推进任务概念的一大优势，是其极低的质量功率比，“激光热推进能够使用排球场大小的激光阵列实现 1 吨的快速运输任务”，甚至远低于先进核推进技术的质量功率比，因为动力源来自地球，并通过低质量的反射器进行处理。研究者预计，在2040年左右，激光热推进技术可能变为现实。相关研究发表在《宇航学报》（Acta Astronautica）上。

激光热推进系统概念图