使用地面激光可以将航天器加速到其他恒星
太空探索的未来包括一些相当雄心勃勃的计划，比如，将任务发射到比以往任何时候都更远的地方。除了目前在顺月空间建设基础设施和定期向月球和火星派遣载人任务的提议之外，还有向外太阳系、向太阳引力透镜的焦距、甚至向最近的恒星发射机器人任务以探索系外行星的计划。要实现这些目标，需要能够实现高推力和持续加速的下一代推进系统。
聚焦的激光阵列（或定向能（DE））和光帆是一种正在广泛研究的手段，如“突破星射”（Breakthrough Starshot）和“半人马座比邻星”（Swarming Proxima Centauri）。除了这些提议之外，蒙特利尔麦吉尔大学的一个团队还提出了一种新型的定向能推进系统，用于探索太阳系。在最近的一篇论文中，该团队分享了他们的激光热推进（LTP）推进器设施的早期结果，这表明该技术有潜力为星际任务提供大推力和比冲。
该研究小组由麦吉尔星际飞行实验研究小组（IFERG）的本科生实习生加布里埃尔·R·杜贝（Gabriel R. Dube）和IFERG的首席研究员安德鲁·希金斯（Andrew Higgins）副教授领导。该团队在2024年AIAA科技论坛和博览会上展示了他们的研究成果，并发表在AIAA航空航天研究中心（ARC）杂志上的一篇论文中。
希金斯和他的同事们最初在2022年发表在《宇航学报》上的一篇论文中提出了这个概念，论文的标题是“使用激光-热推进的快速过境火星任务的设计”。激光热推进（LTP）的灵感来自摄星（Starshot）和蜻蜓计划（Project Dragonfly）等星际概念。然而，希金斯和他在麦吉尔大学的同事们对如何利用同样的技术在45天内快速穿越火星和整个太阳系很感兴趣。他们认为，这种方法也可以验证所涉及的技术，并作为星际任务的踏脚石。
正如希金斯通过电子邮件告诉媒体的那样：
“我的学生们做了一个详细的概念性研究，研究我们如何将突破摄星计划中设想的那种大型激光阵列用于太阳系的近期任务。我们没有为突破摄星计划设想直径10公里、100吉瓦的激光器，而是将自己限制在直径10米、100兆瓦的激光器上，并证明它能够为接近月球距离的航天器提供能量。通过将氢推进剂加热到10000 K，激光可以实现高推力和高比冲的‘圣杯’。”
这个概念类似于NASA和DARPA目前正在开发的用于火星快速运输任务的核热推进（NTP）。在NTP系统中，核反应堆产生热量，导致氢或氘推进剂膨胀，然后通过喷嘴集中产生推力。在这种情况下，相控阵激光被聚焦到一个氢气加热室，然后通过喷嘴排出，以实现3000秒的特定脉冲。他说，自从希金斯和他的学生回到实验室后，他们一直在尝试用实验来验证他们的想法：
“显然，我们在麦吉尔没有100兆瓦的激光器，但我们现在在实验室里有一个3千瓦的激光器装置（这已经足够可怕了），并且正在研究激光如何将其能量与推进剂（最终是氢，但现在是氩，因为它更容易电离）耦合。”AIAA的论文报告了我们3千瓦激光设备的设计、建造和‘调试’。”
希金斯和他的团队从他们的测试中构造了一个包含5到20巴静态氩气的装置。虽然最终的概念将利用氢气作为推进剂，但他们使用氩气进行测试，因为氩气更容易电离。然后，他们以1070纳米（与近红外波长相对应）的频率脉冲发射3千瓦的激光，以确定激光持续等离子体（LSP）所需的阈值功率。他们的结果表明，大约80%的激光能量沉积在等离子体中，这与之前的研究一致。
他们获得的压力和光谱数据也揭示了工作气体的峰值LSP温度，尽管他们强调需要进一步的研究才能得出结论性的结果。他们还强调，需要一个专门的设备来进行强制流动和其他LSP测试。最后，该团队计划在今年晚些时候进行推力测量，以测量激光热推进系统能为火星和太阳系其他行星的未来任务提供多少加速度（delta-v）和比冲（Isp）。
如果这项技术能够胜任这项任务，我们可能会看到一个能够在几周，而不是几个月内将宇航员送到火星的系统！今年NIAC选定的其他概念还包括评估长期微重力任务的冬眠系统的测试。单独或结合使用这些技术，可以实现需要较少货物和物资的快速运输任务，并最大限度地减少宇航员暴露在微重力和辐射下的时间。
来自：知新了了