投资激光推进技术:NASA为省钱还是另有所图

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激光推进的基本思想是人们可以在地面上向飞行器传输能量,利用远距离高能激光加热工质,使工质气体膨胀或者产生电流间接推力,推动飞行器前进的推进技术。NASA最近对一项提案进行了早期投资,计划将小型激光推进航天器发射至太阳系外最近的行星,预计旅行时间只有12年。

基于激光器的星际推进技术

这一项目名为“星际先驱任务的突破性推进架构”,是由NASA支持的22项具有远见探索的项目之一。该项目第一阶段将获得125000美元的资助进行为期9个月的可行性调研,以支持其概念的初步定义与分析。一旦完成可行性阶段论证,第一阶段的努力将会推进至第二阶段的实施,此外还有50万美元的资金可用于未来两年的相关开发。

“10km直径的激光器阵列”设想

加利福尼亚州美国航空航天局帕萨迪纳喷气推进实验室的John Brophy提出了一个设想——直径10km、按轨道运行100兆瓦的激光器阵列。高效的光伏阵列将高激光功率转换为电能,最后能驱动70MW锂离子推进系统能以足够的速度在一长段时间内进行星际旅行。

对此,Brophy表示:“这是一种新型动力/推进架构,能够实现12年时间、500个天文单位的飞行。这也是常规航天器利用太阳引力透镜对外星行星进行成像的距离。”

星际旅行的前景是提案中最引人注目的一点。在同样的推进器架构之下,从地球到冥王星的轨道飞行时间将缩短至不到四年,并在短短一年时间内达到向木星轨道运送80吨有效载荷的能力——这使得太空漫游中人类实现到达巨型天然气行星的使命成为可能。

锂离子推进系统

Brophy指出,开发任何快速空间运输系统的关键在于两种能力:一种是产生大功率的同时,几乎没有质量的负担;另一种是在不使用大量推进剂的情况下,提供高速度变化。

他表示:“这两种能力都需要非常低的特定质量(kg/kW)和非常高的比冲量。”

“通过在航天器使用轻便的光伏阵列来替换电源以及大部分电源转换器件之后,我们架构中的特定质量可以达到0.25kg/kW,它将以58000s的比冲量输出锂燃料,来达到推进器系统所需要的电压。”

作为对比,采用了最新技术的“黎明”号航天器,它的特定质量和比冲量分别为300kg/kW和3000s。

其实,在理论上,NASA的另外一位科学家Philip Lubin曾针对利用推进器架构中的新型超大功率激光器提出一种方法。但是Brophy预计,目前的理论技术将会比之前提出的理论实现的可能性大得多。

虽然这个想法假设了巨型激光器阵列和一个效率超过现有技术水平的光伏系统的存在,但是Brophy认为,即使在很远的距离尺度上,可用于航天器推进的光子的绝对密度都将转化为一种“巨大”的能量,可以充分发挥它们的作用。

在太空进行“光学开采”

NASA支持的另外21个项目同样是围绕着光子技术的各项研究。

其中一个项目已经进行到第二阶段,是构思一个远程光伏发电激光蒸发分子吸收光谱传感器系统,它可以搭载在轨道上来探测冷太阳系中的分子组成,如小行星、彗星、行星以及卫星。

加州理工大学Gary Hughes团队表示:“经过第一阶段的可行性分析论证之后,所有结果都表明此套传感器概念是可行的。”

此外,获得第二阶段项目支持的还有外行星“回波”成像系统,这是一种新型光学探测方法,旨在“发掘”太空中存在自然资源的小行星、卫星以及行星等。

TransAstra公司的项目负责人Joel Sercel目前正在从事一个30千瓦的光学采矿系统,他解释说:“在光学‘开采’中,通过高度集中的日光能够实现小行星材料的挖掘与加工。我们已经证实了,将小行星封闭在密封袋中时,日光可用于小行星的钻孔、挖掘、破坏和塑造。”

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