光推進技術簡介
20多年前，美國開始研制代號為“星球大戰(zhàn)”的導彈防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在追蹤其他國家發(fā)射的導彈，并使用激光器將其擊落。雖然這個系統(tǒng)是為戰(zhàn)爭而設計，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。事實上，有朝一日激光器會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飛向太空，而航天飛機要發(fā)射升空，除了要裝好幾噸燃料外，還必須綁兩個巨大的火箭助推器。激光器可供工程師研制出無需裝載能源的輕型宇宙飛船。光船本身可充當引擎，而燃料則是光 ——宇宙中最豐富的一種能源。
光推進器的基本原理是用陸基激光器加熱空氣，令其爆炸并推動宇宙飛船。倘若奏效，光推進器不僅比化學火箭引擎輕數(shù)千倍、效率高數(shù)千倍，還不會造成任何污染。在本篇博聞網(wǎng)文章中，我們將了解這種先進推進系統(tǒng)的兩個版本，其中一個只需五個半小時就能把我們從地球帶往月球，而另一個則能帶我們沿“光路”進行太陽系之旅。
光推進火箭聽上去就像科幻小說里的宇宙飛船 -- 乘著激光束進入太空，它只需少量或無需裝載推進劑，而且還無污染。這似乎不可思議，因為人類尚未研制出任何與之相近的設備可用于地球上常規(guī)的地面或空中旅行。盡管實現(xiàn)這一目標可能還需要15-30年，但建造光船的原理已經(jīng)成功實驗了多次。一家名為Lightcraft Technologies的公司在繼續(xù)改進始于倫斯勒理工學院(位于紐約特洛伊市)的研究。
光船的基本原理非常簡單——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，從而推進飛行器。下面列出了這種革命性推進系統(tǒng)的基本組件：
二氧化碳激光器——Lightcraft Technologies使用脈沖激光損傷測試系統(tǒng) (PLVTS)，這是星球大戰(zhàn)防御計劃的產(chǎn)物。試驗光船目前使用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氣口或機載推進劑。還有一面看似望遠鏡的鏡子充當次級陸基發(fā)射機，用于將激光束引導至光船上。
吸收室——將進氣引入吸收室，并由激光束加熱膨脹，從而推動光船。
機載氫——當大氣過于稀薄，無法提供足夠的空氣時，需要少量氫推進劑提供火箭推力。
光船發(fā)射前會噴射一股壓縮空氣，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)對陀螺式穩(wěn)定飛行器非常必要。以美式橄欖球為例：為了更精準地傳球，四分衛(wèi)會在踢球時加以旋轉(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，激光器會繼續(xù)向上推動飛行器。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?？諝庠诟邷叵聲D(zhuǎn)化為等離子狀態(tài)，然后等離子發(fā)生爆炸并向上推進飛行器。
Lightcraft Technologies公司得到FINDS的贊助(早期飛行由美國宇航局和美國空軍資助)，在新墨西哥州的白沙導彈試驗場對一架小型光船樣機進行了幾次測試。2000年10月，直徑12.2厘米、重量僅50克的小型光船達到了71米的高度。Lightcraft Technologies希望，能在2001年將該光船樣機發(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鋁制成，但最終的標準光船可能會由碳化硅打造。
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，也更容易升級為較高的動力，但需要直徑更大的飛船。為這種推進器設計的光船看上去更像飛碟(實際上我們正逐步將科幻變?yōu)楝F(xiàn)實)。與激光推進光船相比，開發(fā)這種技術需要更長的時間，但它能帶我們?nèi)ネ庑行?。開發(fā)人員還設想修造數(shù)千架這種光船，由一隊軌道電站提供動力，并取代傳統(tǒng)的飛機。
微波動力光船還會利用沒有飛船之外的能源。使用激光動力推進系統(tǒng)時，能源是位于地面的。而微波推進系統(tǒng)則與之相反。微波推進宇宙飛船將依靠軌道太陽能電站向下傳送的動力。能源并不會推離光船，而是將其拉近。
要讓微波光船飛行，科學家必須首先在軌道中安置一個直徑為1公里的太陽能電站。領導光船研究的Leik Myrabo認為，這樣一個發(fā)電站可產(chǎn)生高達20千兆瓦的動力。該發(fā)電站沿地球上空500公里的軌道運行，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)百萬個小天線，可將微波轉(zhuǎn)換成電流。只需兩個軌道，發(fā)電站就能匯集1800千兆焦耳的能量，并向光船傳送4.3千兆瓦的動力，供其駛?cè)胲壍馈?/p>
該微波光船會配備兩個強大的磁體和三種推進引擎。光船起飛時會利用覆蓋在頂部的太陽能電池產(chǎn)生電流。電流會電離空氣，然后推動飛行器。一旦起飛，微波光船就會用內(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。另一半微波動力則由飛行器的接收天線轉(zhuǎn)化為電流，用于為兩個電磁引擎供電。然后兩個引擎對滑流(即飛行器周圍流動的空氣)進行加速。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。