去年二月，当 NASA 的“毅力号”火星车着陆火星时，它已经在严酷的行星际空间中航行了六个多月。在此期间，它经历了巨大的辐射水平，以及来自太阳日冕物质抛射的更大规模辐射的持续威胁。
这些正是载人宇航员在执行任务时希望避开的条件。此类旅程相关的辐射可能对船员造成致命后果。因此，寻找更快的火星旅行方式对于人类登陆和殖民这颗红色星球的宏伟目标至关重要。
为此，加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的 Emmanuel Duplay 和他的同事们提出了一个方案：利用地球上的巨型激光，在短短 45 天内将一吨重的航天器加速到火星。他们表示，这项技术同样可以大幅缩短其他任务的旅行时间，例如前往金星、冰巨星，甚至太阳引力焦点之外的柯伊伯带。
首先，让我们了解一些背景。激光推进作为一种加速航天器的方式已经被研究了很长时间。它的主要优势在于航天器由地球提供动力，而无需携带自身的推进系统和燃料。目前的一个计划是利用激光的光子压力，通过激光帆将一克重的航天器加速到接近光速的显著比例，或许能在几十年内到达附近的恒星。
但这种方法不适用于较大的航天器，因为激光的大小限制了动量变化的可能。相反，更好的方法是利用激光的能量将船载质量向一个方向加速，从而使航天器向另一个方向推进。
一种方法是将激光转化为电能，然后用电能加速离子。但 Duplay 和他的同事们研究的是利用激光加热推进剂（如氢气），使其通过喷管膨胀产生推力。
事实上，Duplay 和同事们表示，这个想法在 20 世纪 70 年代和 80 年代曾被广泛研究，但最终因缺乏资金而被放弃。尽管如此，这种方法被证明效率惊人，很大程度上是因为它不需要氧化剂，并且所有能量都来自地球。
激光的雄心
Duplay 和同事们表示，输出功率约为 100 兆瓦的激光阵列就可以实现目标。这个阵列发出的光束需要经过校正，以补偿地球大气层引入的畸变，这项技术在天文学领域已经非常成熟。尽管目前不存在如此大规模和实用的激光器，但该团队表示，它们在当前技术的抱负范围内。
航天器本身将包括一个载荷——本质上是乘员舱——以及一个可分离的推进单元——本质上是一个巨大的反射镜，将激光聚焦到一个腔室中，将氢气加热到大约 40,000 开尔文。热氢气膨胀进入喷管产生推力。
Duplay 和同事们的计划是产生数小时的连续推力，使航天器达到大约 14 公里/秒的速度，从而在 45 天内抵达火星。在初步加速后，推进单元与航天器分离，返回地球，并可重复使用。
Duplay 和同事们迅速指出，航天器在抵达红色星球时也需要减速。“在火星捕获是一个相当大的挑战，”他们承认。任务的一个重要部分是设计一种气动捕获机动，航天器利用火星大气层来减速。
该团队详细分析了这一机动。他们表明，气动减速是可行的，尽管存在许多未知因素。“尽管这些结果令人鼓舞，但此类机动的实际可行性仍不确定，”他们说。
尽管如此，该团队的方法很有趣，虽然它带来了许多工程上的挑战，但乍一看似乎都不是科幻小说的范畴。关键优势——减少宇航员暴露于行星际飞行潜在致命危险——极具吸引力，这可能会吸引那些财力雄厚的探险家的兴趣。
最终的成本？Duplay 和同事们没有猜测——他们的计划远未达到可以进行这种估算的程度。但无论成本多少，太空机构和企业家们已经在考虑首次载人火星任务。随着计划的推进，一个重要的关注点将是航线上的辐射危险。以其他方式降低这种暴露的成本，可能会让 Duplay 和同事们的想法看起来物有所值。
参考：采用激光热推进的快速火星任务设计 : arxiv.org/abs/2201.00244
