激光航天器

當(dāng)今的航天器都需要隨身攜帶能量。如果不再攜帶燃料和大型的元件，只通過(guò)高強(qiáng)度的激光或微波把能量傳遞給航天器的話，太空旅行的成本就會(huì)大幅降低。在過(guò)去幾年里，由美國(guó)航空航天局和美國(guó)空軍聯(lián)合發(fā)起的實(shí)驗(yàn)正在驗(yàn)證一種航天器，我稱它為激光航天器。它可以沿著一條從地面發(fā)射的脈沖紅外激光束飛行。航天器上的反射面可以把光束變成一個(gè)光環(huán)，以此把空氣加熱，使空氣溫度差不多能達(dá)到太陽(yáng)表面溫度的5倍，從而使空氣膨脹爆炸，產(chǎn)生推動(dòng)力。

通過(guò)使用軍用的脈沖每秒28次的10千瓦二氧化碳激光，我和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室富蘭克林·B.米德成功地在大約3秒時(shí)間內(nèi)把直徑10厘米一15厘米的自旋穩(wěn)定衛(wèi)星航天器發(fā)送到了30米的高度。我們正努力使激光的能量增加到100千瓦，那樣就可以使航天器達(dá)到30千米的高度。盡管現(xiàn)在我們使用的模型不到50克，我們計(jì)劃用5年的時(shí)間用一種定制的100萬(wàn)瓦特的基地激光把一個(gè)1千克重的微型人造衛(wèi)星送入地球軌道，這個(gè)過(guò)程只花費(fèi)幾百美元的電力。

如今的激光航天器是由普通的航天器使用的鋁造成，它的前部是一個(gè)飛行殼，或者覆蓋著一種環(huán)形罩，航天器尾部由光學(xué)的擴(kuò)張噴嘴組成。在大氣層飛行期間，航天器前半部分壓縮空氣并將它們送人到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道。環(huán)形罩承受了推進(jìn)力的正面壓力。航天器尾部可作為一個(gè)拋物面鏡，把紅外線光束轉(zhuǎn)變成為一種環(huán)形聚焦光，航天器尾部的另一面用于承受熱空氣所產(chǎn)生的壓力。該設(shè)計(jì)還有一種自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能：如果航天器偏離了光束，推進(jìn)力就會(huì)傾斜并把航天器退回到原來(lái)的位置。

重達(dá)1千克的激光航天器通過(guò)這種加速方式，速度可以達(dá)到6120千米／小時(shí)，飛行高度可達(dá)到30千米，之后隨著空氣變得稀薄，它就會(huì)轉(zhuǎn)化到用板載液氫作為推進(jìn)劑。1千克的液氫就足以使航天器進(jìn)入軌道。一個(gè)直徑1.4米的激光航天器可以使用100兆瓦的激光束把重量達(dá)100千克的微型人造衛(wèi)星送入軌道。因?yàn)槲覀兪褂玫氖敲}沖光束，只要把一組激光發(fā)射器發(fā)射的光束結(jié)合就能輕易完成。具有不同幾何形狀的激光航天器可以向著能量源移動(dòng)而不是遠(yuǎn)離它或者從側(cè)面飛過(guò)。

激光航天器也可以由微波提供能量。但是微波不能達(dá)到像激光那樣高的能量密度，因此使用微波的航天器在體積上要更大一些。但是微波能量源相當(dāng)便宜而且也比較容易擴(kuò)展到很大的能量。航天器上的鏡子可以把攝取到的光束能量集中到航天器上方一個(gè)直徑有航天器那樣大的點(diǎn)。這種高密度的能量形成“空氣破壞”，使得迎面來(lái)的空氣轉(zhuǎn)向，從而減少阻力，并降低航天器的表面溫度。這種航天器能夠利用一些額外的光束能量，能夠在航天器邊緣制造強(qiáng)大的電場(chǎng)來(lái)電離空氣。它還使用超導(dǎo)磁鐵來(lái)創(chuàng)造強(qiáng)大的區(qū)域磁場(chǎng)。當(dāng)離子通過(guò)此配置中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空中運(yùn)動(dòng)，磁力量開(kāi)始發(fā)揮作用，加速了氣流創(chuàng)造推力。通過(guò)改變能源的大小，激光航天器可以控制周?chē)臍饬?。?dāng)被電離的空氣穿過(guò)形成的電磁場(chǎng)時(shí)，磁力量開(kāi)始發(fā)揮作用，通過(guò)給氣流加速來(lái)產(chǎn)生推動(dòng)力。通過(guò)改變產(chǎn)生的這種能量的數(shù)量，激光航天器可以控制航天器周?chē)臍饬鳌?/p>

1995年4月，我在倫斯勒理工學(xué)院進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)超音速?zèng)_擊波風(fēng)洞證明了空氣被破壞后引起的阻力減小。雖然我只是采用一個(gè)電熱等離子火炬而不是激光能來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。如果激光航天器能夠由軌道太陽(yáng)能電站驅(qū)動(dòng)的話，它將會(huì)引發(fā)太空運(yùn)輸?shù)母锩?。但是組裝這種基礎(chǔ)設(shè)施的成本最終必須要降低到每千克幾百美元。而如今通過(guò)航天器把有效載荷送入軌道的成本大約是每千克2萬(wàn)美元，這種成本比采用激光航天器的100倍還多。我認(rèn)為我們可以通過(guò)建造第一個(gè)專門(mén)實(shí)現(xiàn)低廉的太空探索的旋轉(zhuǎn)型能量站來(lái)彌補(bǔ)這種差距。設(shè)想一個(gè)直徑有1千米的像巨大的自行車(chē)輪的能量站繞行在500千米的高度。它的重量大約有1010萬(wàn)噸，并且能慢慢旋轉(zhuǎn)從而使其具有陀螺穩(wěn)定性。除了有像輻條一樣的構(gòu)造，這個(gè)輪子還有一個(gè)由55個(gè)扇形的0.32毫米厚的碳化硅組成的磁盤(pán)。碳化硅一面會(huì)覆蓋光電轉(zhuǎn)化率是30％的、能夠提供320兆瓦電力的薄膜太陽(yáng)能光伏電池。另一面則會(huì)是微型固態(tài)發(fā)射機(jī)，每個(gè)發(fā)射機(jī)長(zhǎng)約8.5毫米而且能夠提供1.5瓦的微波能量。如今使用的重型起重化學(xué)火箭可以把這種完整的裝置發(fā)射55次，耗費(fèi)55億美元，這是可以接受的。

能量站可以配備一個(gè)由兩個(gè)超導(dǎo)電纜組成的能量?jī)?chǔ)存裝置，每個(gè)超導(dǎo)電纜有100噸，可以由反向的電流供電。在繞地球的兩次軌道運(yùn)行中，能量站將完全負(fù)責(zé)提供1800兆焦耳的能量。它能夠把4.3萬(wàn)千瓦的微波能量聚光到大約1170千米內(nèi)的激光發(fā)射器上，把小額電流從一個(gè)光纜傳到另一個(gè)光纜產(chǎn)生的扭動(dòng)力會(huì)擴(kuò)大能量站的指向范圍，但是這可以由激光發(fā)射器上安裝的燈塔來(lái)有效控制。它可以發(fā)射一種信號(hào)，能夠協(xié)調(diào)能量站上的每個(gè)單獨(dú)的發(fā)射器制造一個(gè)照在發(fā)射地點(diǎn)上的直徑10米的圓點(diǎn)。航天器可以在不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)到達(dá)軌道，使得航天器上的乘客只遭受不超過(guò)3個(gè)重力加速度，感受就如同航天器上的宇航員。太陽(yáng)能電站也可以在54秒內(nèi)全部釋放其能量，那樣可以提供差不多相當(dāng)于垂直方向上的20千兆的推動(dòng)力，可以使航天器飛向靜止軌道或者獲得逃逸速度。第一個(gè)軌道太陽(yáng)能站的建成能夠開(kāi)啟一個(gè)軌道空間站工業(yè)，并且由專門(mén)的激光發(fā)射器發(fā)射和組裝。在幾十年內(nèi)，一隊(duì)這樣的能量站可以使得繞地球、月球或者其他星球的太空旅行變得快速低廉。