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，只通過高強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大幅降低。在過去幾年里，由美國航空航天局和美國空軍聯(lián)合發(fā)起的實驗正在驗證一種航天器，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光環(huán)，以此把空氣加熱，使空氣溫度差不多能達(dá)到太陽表面溫度的5倍，從而使空氣膨脹爆炸，產(chǎn)生推動力。

通過使用軍用的脈沖每秒28次的10千瓦二氧化碳激光，我和美國空軍研究實驗室富蘭克林·B.米德成功地在大約3秒時間內(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，我們計劃用5年的時間用一種定制的100萬瓦特的基地激光把一個1千克重的微型人造衛(wèi)星送入地球軌道，這個過程只花費幾百美元的電力。

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)動機進(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)計還有一種自動調(diào)節(jié)的功能：如果航天器偏離了光束，推進(jìn)力就會傾斜并把航天器退回到原來的位置。

重達(dá)1千克的激光航天器通過這種加速方式，速度可以達(dá)到6120千米／小時，飛行高度可達(dá)到30千米，之后隨著空氣變得稀薄，它就會轉(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。因為我們使用的是脈沖光束，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而不是遠(yuǎn)離它或者從側(cè)面飛過。

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直徑有航天器那樣大的點。這種高密度的能量形成“空氣破壞”，使得迎面來的空氣轉(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大的電場來電離空氣。它還使用超導(dǎo)磁鐵來創(chuàng)造強大的區(qū)域磁場。當(dāng)離子通過此配置中的電場和磁場在空中運動，磁力量開始發(fā)揮作用，加速了氣流創(chuàng)造推力。通過改變能源的大小，激光航天器可以控制周圍的氣流。當(dāng)被電離的空氣穿過形成的電磁場時，磁力量開始發(fā)揮作用，通過給氣流加速來產(chǎn)生推動力。通過改變產(chǎn)生的這種能量的數(shù)量，激光航天器可以控制航天器周圍的氣流。

1995年4月，我在倫斯勒理工學(xué)院進(jìn)行了一項實驗，用一個超音速沖擊波風(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電熱等離子火炬而不是激光能來做這個實驗。如果激光航天器能夠由軌道太陽能電站驅(qū)動的話，它將會引發(fā)太空運輸?shù)母锩５墙M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。而如今通過航天器把有效載荷送入軌道的成本大約是每千克2萬美元，這種成本比采用激光航天器的100倍還多。我認(rèn)為我們可以通過建造第一個專門實現(xiàn)低廉的太空探索的旋轉(zhuǎn)型能量站來彌補這種差距。設(shè)想一個直徑有1千米的像巨大的自行車輪的能量站繞行在500千米的高度。它的重量大約有1010萬噸，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，這個輪子還有一個由55個扇形的0.32毫米厚的碳化硅組成的磁盤。碳化硅一面會覆蓋光電轉(zhuǎn)化率是30％的、能夠提供320兆瓦電力的薄膜太陽能光伏電池。另一面則會是微型固態(tài)發(fā)射機，每個發(fā)射機長約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55億美元，這是可以接受的。

能量站可以配備一個由兩個超導(dǎo)電纜組成的能量儲存裝置，每個超導(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，把小額電流從一個光纜傳到另一個光纜產(chǎn)生的扭動力會擴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有效控制。它可以發(fā)射一種信號，能夠協(xié)調(diào)能量站上的每個單獨的發(fā)射器制造一個照在發(fā)射地點上的直徑10米的圓點。航天器可以在不到5分鐘的時間內(nèi)到達(dá)軌道，使得航天器上的乘客只遭受不超過3個重力加速度，感受就如同航天器上的宇航員。太陽能電站也可以在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20千兆的推動力，可以使航天器飛向靜止軌道或者獲得逃逸速度。第一個軌道太陽能站的建成能夠開啟一個軌道空間站工業(yè)，并且由專門的激光發(fā)射器發(fā)射和組裝。在幾十年內(nèi)，一隊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。