太空新技術 到火星只要45天？

加拿大麥基爾大學研究組提出新的「雷射-熱力」動力方案，利用位於地面的雷射發射器，轉換成火箭的動力，足以把1千公斤的物體在45天內送達火星。

人類第一趟火星之旅基本已經確定將使用SpaceX公司的化學燃料動力飛船，大約需要6個月的時間才能抵達火星。但是2018年，美國國家航空暨太空總署（NASA）招標新的飛船動力方案，希望能把1千公斤的物體在不到45天之內送達火星，不僅為將來地球和火星的物流運輸做準備，也希望能縮短未來人類去火星旅途的時間，這將大幅減少人體所受到的太空輻射。

加拿大麥基爾大學（McGill University）的研究組提出了這套「雷射-熱力」動力方案，用地面發射的一道雷射驅動飛行器在太空中飛行。

這道雷射由大量眼睛看不見的紅外線組成，其波長不到0.0001公分。總功率100兆瓦，差不多相當於美國8萬戶家庭的用電。待送的貨物或飛船要先抵達地球的軌道，在那裡等待啓程。貨物上裝配一個反射器，把收到的雷射送入一個含有氫等離子體的加熱室。

此密閉的加熱室的溫度將上升到4萬克耳文（大約為攝氏3.9萬度），其中的氫氣將被加熱到1萬克耳文（大約攝氏1萬度），此時氫氣從一個噴嘴噴出，藉以產生推力。

根據設計，這個推進機制只需每58分鐘進行一次。飛船還會配備一些側邊推進器，保證地球在自轉的過程中飛船還能對準地面的雷射。按照研究人員的計算，雷射停止發射的時候，飛船和貨物將以每秒17公里的速度飛離地球。按照這個速度，不到8小時飛船就能飛到比月球更遠的地方。

一艘已經抵達地球軌道的飛船，正在等待「雷射-熱力」驅動，並啟程飛往火星。（示意圖）（公有領域）

實際執行的難度

一個半月後抵達火星的時候，飛船的速度仍然可達每秒16公里，需要使用「空氣煞車」的技術讓飛船減速進入距離火星地面150公里的軌道，不過，這是另一個困難點。

研究組說，最理想的情況是讓飛船攜帶一個化學燃料引擎到時候助推減速。可是，這些燃料很重，將使得飛船允許的載貨量降至還不到總重量（1千公斤）的6%。另一個辦法是，人類將來有能力在火星基地搭建和地球上一樣的雷射發射裝置，在那邊接應抵達的飛船，用雷射提供反向推力幫它減速。這也很合適，但是短期內還辦不到。

所以目前空氣剎車是唯一的辦法。但是這難度也很大，飛船將受到8g的煞車加速度（g是地球的重力加速度，9.8 m/s²），這差不多是人體能夠承受的極限。這個過程飛船也會產生巨大的熱量，需要製造特殊的保護材料才能承受得住。

研究組表示，這套動力方案一個很明顯的優勢是，能源占飛船質量的比例很低，因為能量源位於地面，飛船上用於接收雷射的反射器質量也很小。

主要研究者伊曼紐爾·杜佩萊（Emmanuel Duplay）說，人類最初登陸火星的飛船不會使用這種技術，「然而，隨著更多人去火星，並要在上面建立基地，我們就會需要更快捷的旅行方式，減少輻射危害。」

這份研究2021年12月16日發表於《宇航學報》（Acta Astronautica）。◇