江蘇鐳射聯盟導讀：
鐳射能把宇宙飛船送上火星嗎?這是麥吉爾大學一個小組提出的一項任務，旨在滿足美國宇航局的邀請。
在地球上，10米寬的鐳射陣列將在飛船後面的一個房間裡加熱氫等離子體，產生氫氣推力，並在45天內將其發射到火星。在那裡，它將在火星的大氣層中進行空氣制動，為人類殖民者運送物資，也許有一天，甚至為人類自己運送物資。
鐳射熱推進航天器在地球軌道上等待出發。來源：Creative Commons Attribution 4.0 International License
2018年，美國國家航空航天局(NASA)向工程師提出挑戰，要求他們設計一項火星任務，在不超過45天的時間內運送至少1000公斤的有效載荷，以及更長的深入太陽系和太陽系外的旅程。這種短交貨時間的動機是為了將貨物運送到火星，並在某一天將宇航員送到火星，同時儘量減少他們暴露在銀河宇宙射線和太陽風暴的破壞性影響下。Elon Musk的太空探索技術公司設想，人類的火星之旅將需要6個月的時間。
McGill的概念，被稱為鐳射熱推進，依靠地球上的一組紅外鐳射器，直徑10米，結合許多不可見的紅外光束，每一束波長約為1微米，總功率為100兆瓦——大約需要8萬戶美國家庭的電力。在橢圓形的地球軌道上執行的有效載荷將裝有一個反射器，將來自地球的鐳射束引導到含有氫等離子體的加熱室中。當它的核心被加熱到40000開氏度(72000華氏度)時，在核心周圍流動的氫氣將達到10000開氏度(18000華氏度)，並被一個噴嘴噴出，產生推力，在58分鐘的時間內推動飛船離開地球。(在地球自轉時，側推進器將使飛船與鐳射束保持一致。)
鐳射熱推進系統的概念渲染，攜帶1噸有效載荷進行45天的火星轉移。
當發射停止時，有效載荷以相對於地球的每秒17公里的速度快速移動，這個速度足以在僅僅8小時內穿過月球的軌道距離。當它在一個半月後到達火星大氣層時，它仍將以每秒16公里的速度飛行;然而，一旦到達火星，將有效載荷放置在圍繞火星150公里的軌道上對工程團隊來說是一個難以解決的問題。
有效載荷不能攜帶化學推進劑使火箭減速——所需的燃料將使有效載荷質量減少到最初1000公斤的6%以下，所以這是一個困難的任務。在火星上的人類能夠為來襲的飛船建造一個等效的鐳射陣列，利用其反射器和等離子體室提供反向推力之前，航空捕獲是在火星上減速的唯一方法。
即便如此，在火星大氣中的氣動捕獲或氣動制動可能是一個危險的動作，因為航天器在繞火星一週內被捕獲，在幾分鐘內經歷了高達8克（其中g是地球表面重力引起的加速度，9.8米/秒2）的減速，接近人類極限。由於大氣摩擦，飛行器上的大量熱通量將高於傳統的熱防護系統材料，但不是那些正在積極開發的材料。
理想化aerocapture模型。
航天器進入火星深空的鐳射熱推進，並與之前提出的其他運載方法形成進一步對比，例如鐳射電力推進，其中鐳射束將撞擊有效載荷後面的光伏（PV）電池；太陽能電力推進，陽光照射在光伏電池上產生推進推力；核電推進，核反應堆產生電力，產生由推進器推動的離子；以及核熱推進，核反應堆的熱量將液體轉化為氣體，然後透過噴嘴推動氣體產生推力。
該研究的主要作者Emmanuel Duplay說：“鐳射熱推進能夠利用排球場大小的鐳射陣列實現1噸的快速運輸任務，而鐳射電推進只能用千米級陣列來實現這一點。”他在麥吉爾大學的暑期本科生工程研究專案中工作了兩年多。Duplay現在就讀於代爾夫特理工大學航空航天工程碩士專業，從事航天專業。
飛船架構概述。
Duplay等人提出的鐳射熱推進任務概念的一大優勢是其極低的質量功率比，在0.001–0.010 kg/kW範圍內——“無與倫比”，他們寫道，“甚至遠低於先進核推進技術所引用的技術，因為電源仍留在地球上，而輸送的通量可以由低質量充氣反射器處理。”
鐳射熱推進在20世紀70年代首次使用10.6微米的CO2鐳射器進行研究，這是當時最強大的。今天的光纖鐳射器為1微米，可以組合成大規模平行、有效直徑大的相控陣，這意味著功率傳輸的焦距比Duplay的鐳射熱推進概念高出兩個數量級——50000公里。
Duplay解釋說，相控陣鐳射器的架構正在由加州大學聖芭芭拉分校物理學家Philip Lubin領導的小組開發。魯賓小組的陣列使用約100瓦的單個鐳射放大器，每個放大器是一個簡單的光纖環路和一個LED燈作為泵，可以廉價批次生產，因此這裡設想的火星任務需要100萬個單個放大器。
概念LSC波推力室示意圖。
第一批登上火星的人類可能不會使用鐳射熱推進技術到達那裡。杜普利說：“然而，隨著越來越多的人踏上維持長期殖民地的旅程，我們將需要能夠讓我們更快到達那裡的推進系統，哪怕只是為了避免輻射危害。”他推測，火星鐳射熱任務可能在人類首次任務完成10年後發射，所以可能在2040年左右。
來源：Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermalpropulsion, Acta Astronautica (2021). DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.11.032
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