熱點：美國科技日報網(wǎng)站2022年2月23日報道，人類可借助激光帆技術(shù)驅(qū)動航天器，將航天器加速至接近光速的速度，滿足人類探索浩瀚太空的需求，可為未來快速太空探索和星際飛行鋪平道路。激光帆是利用激光的光壓進(jìn)行宇宙航行的一種航天器，是基于太陽帆飛船的一個升級概念。激光帆使用比太陽光效率更高的激光?，F(xiàn)階段科技研究表明，激光帆技術(shù)是人類星際旅行最可行的技術(shù)。

一、需求分析

1.目前的手段耗費時間太長，難滿足浩瀚太空探索需求

美國極其依賴太空系統(tǒng)，太空活動的可持續(xù)性是美國的關(guān)鍵戰(zhàn)略利益。塑造國際環(huán)境并實現(xiàn)對月球的開發(fā)與登陸火星將大大增強(qiáng)美國在太空領(lǐng)域的國家安全、商業(yè)和外交利益。為確保美國在太空中的利益，美國十分重視太空探索工作，將美國的存在從近地軌道擴(kuò)展到月球，并拓展到火星和更遠(yuǎn)的星球。美國國家太空委員會2020年7月23日發(fā)布報告《深空探索和開發(fā)的新時代》，該報告提出了美國未來太空探索和開發(fā)愿景。

在浩瀚的太空中，其它星球距地球十分遙遠(yuǎn)，太空探索無疑是令人痛苦的緩慢過程。“新視野”號探測器花了近10年時間才到達(dá)冥王星。前往半人馬座（ProximaCentauri，距地球約4.37光年）星系，即離地球最近的宜居行星，即使使用最大型的火箭也需要數(shù)千年的時間。這些常用的以火箭推動的航天器手段探索太空耗費時間太長，難以滿足人類探索外太空需求。

2.新型激光帆技術(shù)有望滿足探索外太空需求

為滿足探索外太空需求，研究人員提出了核聚變發(fā)動機(jī)、物質(zhì)-反物質(zhì)推進(jìn)器，甚至是利用黑洞原理打造的未來發(fā)動機(jī)等，這些方式都需要攜帶著巨大的燃料貯備，而且航天器還需要更多的能量來加速和減速。不僅效率低下，還難以滿足距離更遠(yuǎn)的外太空探索需求。新型激光帆技術(shù)是利用激光束發(fā)射和操縱裝有硅或氮化硼激光帆的微型探測器，可調(diào)整探測器的飛行軌道，或?qū)⒑教炱魍频浇咏馑俚乃俣?，?zhí)行太空探索或星際飛行任務(wù)。這些由由激光驅(qū)動的激光帆技術(shù)有望滿足探索外太空需求，可為未來快速太空探索和星際飛行奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

二、技術(shù)基礎(chǔ)

1.激光帆概述

（1）激光帆概念

激光帆技術(shù)是從地球上發(fā)射的激光束照射至可操控的安裝有硅或氮化硼“帆”上，光子對“帆”產(chǎn)生反作用力推動激光帆進(jìn)而推動航天器加速，可調(diào)整航天器的飛行軌道，或?qū)⒑教炱魍频浇咏馑俚乃俣?，?zhí)行太空探索或星際飛行任務(wù)。

1984年，美國休斯飛機(jī)公司研究實驗室的物理學(xué)家羅伯特·福沃德在其標(biāo)志性的論文中，提出了采取古老風(fēng)帆技術(shù)進(jìn)行星際旅行的理念。受該概念啟發(fā)，美國航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實驗室科學(xué)家羅伯特·弗里斯和他的研究小組發(fā)明了激光帆理論。弗里斯比認(rèn)為，大海中的風(fēng)能推動帆船航行，同樣一道強(qiáng)大的激光束也能推動太空中的“帆船”航行。激光的光束射到激光帆上后便轉(zhuǎn)化成動力并推動航天器前進(jìn)?？茖W(xué)家設(shè)想用激光器為航天器提供動力，讓其逐漸提速，并奔向遙遠(yuǎn)的世界，這就是激光帆概念。

（2）基本原理

激光帆工作原理與太陽帆類似，同太陽光相比，聚焦的激光束能夠使航天器獲得更快的速度，將航天器推至阿爾法人馬座恒星系甚至更遠(yuǎn)。激光帆是航天器的推進(jìn)器，由反射層和發(fā)射層構(gòu)成，如圖1所示。激光是由有動量的光子構(gòu)成，當(dāng)激光照射到激光帆的反射層時，激光帆將照射過來的光子反射回去，由于力的相互作用，反射層將大多數(shù)光子垂直于帆面“反彈”回去的同時，光子也會對太陽帆產(chǎn)生反作用力，這種反作用力推動激光帆進(jìn)而推動航天器前進(jìn)。極少數(shù)沒有被“反彈”的光子被吸收，以熱能的形式通過發(fā)射層發(fā)射出去，對航天器的速度產(chǎn)生負(fù)面影響。激光帆依賴光子作為動力來源，當(dāng)沒有光子撞擊激光帆時，航天器仍將在太空中飛行，但沒有加速度。如果有持續(xù)不斷的光子施加到激光帆上，推動航天器不斷加速，使激光帆驅(qū)動的航天器能夠獲得比傳統(tǒng)的火箭燃料驅(qū)動航天器快得多的飛行速度，可大幅縮短星際旅行時間。

采用激光帆技術(shù)的航天器只需由運(yùn)載火箭發(fā)射升空，在進(jìn)入預(yù)定軌道并展開激光帆后，便可在不使用化學(xué)燃料的情況下通過改變激光帆的朝向來實現(xiàn)加減速和轉(zhuǎn)向。航天器無需攜帶傳統(tǒng)推進(jìn)方式必須攜帶的燃料。理論上，此類航天器在經(jīng)過足夠長的加速時間后，可實現(xiàn)超過當(dāng)前化學(xué)燃料推進(jìn)器所產(chǎn)生的最大速度，可將航天器持續(xù)加速達(dá)到接近光速的速度。這種不攜帶燃料的激光帆推進(jìn)方式將開辟全新的太空探索方式。

激光帆的構(gòu)成及工作原理圖

激光帆驅(qū)動的航天器渲染圖

2.國外主要研究情況

1984年，美國休斯飛機(jī)公司羅伯特?福沃德提出了采取古老風(fēng)帆技術(shù)進(jìn)行星際旅行的理念。此后，科學(xué)家們提出了“太陽帆”概念并研制出簡單的“太陽帆”航天器。

2016年，英國物理學(xué)家斯蒂芬?霍金與尤里·米爾納共同開啟了名為“突破攝星”（Breakthrough Starshot）的太陽系外飛行技術(shù)開發(fā)和實踐計劃，啟動資金1億美元，最終任務(wù)成本為50至100億美元，開發(fā)名為StarChip的激光帆航天器概念驗證艦隊，以光速的15%至20%速度飛往4.37光年外的半人馬座阿爾法星系。第一枚航天器將在2036年左右發(fā)射。

2017年1月，美國航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實驗室“先鋒推進(jìn)概念”研究項目負(fù)責(zé)人羅伯特·弗里斯詳述了未來讓人類能在“有生之年”進(jìn)行“星際之旅”的可行性。該激光帆設(shè)想一個巨大的鋁箔激光帆，駕駛員座艙位于激光帆中間，在地球軌道或月球表面上建成一個強(qiáng)大的激光源，經(jīng)過數(shù)年的激光驅(qū)動使激光帆航天器達(dá)到最高飛行速度。

2018年3月，加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校研究團(tuán)隊于開發(fā)出用于推進(jìn)和小行星偏轉(zhuǎn)的激光陣列(DE-STAR)。DE-STAR將有幾種尺寸，其中DE-STAR-4邊長10千米。全尺寸DE-STAR4 (100吉瓦)將推動一個帶有1米激光帆大小的航天器在10分鐘內(nèi)飛行速度達(dá)到26%的光速，可在30分鐘內(nèi)到達(dá)火星。該團(tuán)隊目前已經(jīng)研制出硬件組件，并進(jìn)行了各種實驗。

2019年3月，哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家David Kipping提出采用激光帆設(shè)計的航天器在理論上可借助雙“黑洞”系統(tǒng)來實現(xiàn)接近光速的飛行速度。通過將光子朝黑洞附近的預(yù)定軌道發(fā)射，使光子在借“黑洞”引力場繞軌道加速“一周”后再打到航天器的“激光帆”上，由此讓航天器獲得比激光發(fā)射器功率大得多的光子加速效果，實現(xiàn)高效率大幅加減速。

2019年12月，紐約羅切斯特理工學(xué)院光學(xué)Grover Swartzlander研制出一個由兩個衍射光柵并排放置的激光帆。每個光柵均由排列整齊的液晶構(gòu)成，液晶可使光線以一定的角度偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力使帆向后方和側(cè)方運(yùn)動。該激光帆左側(cè)的光柵可將光束偏轉(zhuǎn)到激光束的右側(cè)，反之亦然。如果激光帆的位置發(fā)生移動，激光束落在帆的兩側(cè)后就會將帆推回原來的位置，使激光重新落在帆的中心。通過實驗測試，找到了足夠的位置和避免干擾的方法，成功地探測到激光帆產(chǎn)生了令其重新回到激光中心的推力，將它推回到與激光束對齊的位置。這項研究成果對激光束始終保持穩(wěn)定照射在激光帆上十分重要。

2022年2月，美國加州大學(xué)洛杉磯分校達(dá)沃研究組報道了其最新研究成果。從地球上發(fā)射低功率激光束可驅(qū)動和操縱裝激光帆的微型航天器，將其推進(jìn)到比火箭發(fā)動機(jī)快得多的速度，可用于改變航天器的軌道或?qū)⑵淇焖偻七M(jìn)到太空中更遠(yuǎn)的地方。航天器上安裝有硅或氮化硼帆構(gòu)成的激光帆捕捉激光束獲取能量，可調(diào)整航天器的軌道，或?qū)⒑教炱魍频浇咏馑俚乃俣?，?zhí)行太空探索或星際飛行任務(wù)。激光帆的最佳材料是納米級結(jié)構(gòu)的氮化硅和氮化硼，可實現(xiàn)高反射率和快速冷卻。這些由激光帆驅(qū)動的航天器可為快速太空探索和未來的星際飛行鋪平道路。

三、幾點認(rèn)識

1. 引起航天器飛行驅(qū)動模式變革

如果人類掌握了激光帆技術(shù)，那么人類探索太空將不用再擔(dān)心遠(yuǎn)距離飛行的燃料問題。此外，通過巧妙的設(shè)計，當(dāng)航天器接近目的地時，可通過激光發(fā)射控或控制帶有旅行艙的“帆”的中間部分與“帆”脫離，失去中間部分的“帆”將激光束聚焦在旅行艙上，幫助它減速。根據(jù)弗里斯比的研究，激光帆航天器在不到10年的飛行時間內(nèi)，其速度就可達(dá)到光速的一半。如果采用直徑為200英里的激光帆，人類可在12年半的時間內(nèi)抵達(dá)阿爾法人馬座恒星系；采用600英里的激光帆，與巨蝎座55星中類似地球的行星相會也只需86年?？捎型麑崿F(xiàn)人類在“有生之年”探索太空行星的問題。激光帆技術(shù)無疑將引起飛行器驅(qū)動模式的革命性變革。

2.技術(shù)難度大，耗資巨大，短期內(nèi)難以實現(xiàn)

如果使用激光帆技術(shù)幫助人類飛向巨蝎座55星，那么激光器的輸出功率將是驚人的。根據(jù)弗里斯比的估算，推動航天器所需的激光器連續(xù)穩(wěn)定能量輸出應(yīng)達(dá)17000萬億瓦特。要實現(xiàn)如此巨大的能量輸出，技術(shù)難度和花費無疑是巨大的，在短期內(nèi)恐難以實現(xiàn)。如果激光器陣列放置在地球表面，激光易受大氣影響，地面向激光帆發(fā)射穩(wěn)定激光也存在較大技術(shù)難度。此外，如此以光年計的遙遠(yuǎn)距離，對航天器激光帆的穩(wěn)定跟蹤、瞄準(zhǔn)也將是一個巨大的技術(shù)難題。

3.激光帆技術(shù)促進(jìn)激光及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

利用激光帆技術(shù)推進(jìn)航天器將促進(jìn)激光及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成規(guī)模非常龐大的產(chǎn)業(yè)群。

首先是推動激光技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)星際探索需求，激光帆需要連續(xù)工作數(shù)十年，對激光器的可靠性提出了很高的要求，將推動工業(yè)光纖激光器和放大器行業(yè)的發(fā)展，有望設(shè)計出效率更高、高可靠性和成本更低的激光器和放大器。為了克服大氣對激光的影響，利用置于地球同步軌道的太空太陽能電站將太陽能轉(zhuǎn)化為激光，再將激光發(fā)射到激光帆，涉及太陽能-激光模塊高光束質(zhì)量、小型化、輕量化、散熱等一系列技術(shù)，這些問題的有效解決將推動激光技術(shù)的發(fā)展。

其次，激光束的穩(wěn)定跟蹤技術(shù)。在以光年為距離單位的浩瀚太空中，激光束始終保持跟蹤和瞄準(zhǔn)激光帆，技術(shù)難度可想而知。該問題的有效解決將大幅推動光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

此外，也將促進(jìn)材料相關(guān)技術(shù)發(fā)展。在惡劣的外太空環(huán)境中，對激光帆材料提出了嚴(yán)苛的要求，反射層、發(fā)射層不僅要滿足光子推動效應(yīng)的要求，還要經(jīng)受各種太空輻射的侵蝕。該技術(shù)也必將推動材料技術(shù)的發(fā)展。

四、結(jié)語

太空探索和星際飛行是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及飛行器設(shè)計、飛行規(guī)劃、飛行器跟蹤等一系列專題，基于激光帆技術(shù)的飛行器驅(qū)動方式僅是一個專題中的一項專項技術(shù)，該技術(shù)使人類看到了類探索浩瀚宇宙空間的希望。

來源：電科防務(wù)

作者：禹化龍、李碩