當(dāng)科學(xué)遇上想象

　　雨果曾說過：“科學(xué)到了最后階段，便遇上了想象。”

　　早在1953年，德國空間技術(shù)的先驅(qū)曾格爾就預(yù)言了使用光進(jìn)行空間推進(jìn)的可能性。后來，美國研究者在“低成本進(jìn)入空間”研究任務(wù)中，也給出了激光推進(jìn)單級入軌發(fā)射的概念。該飛行器可以“乘著”激光束，“呼吸著”空氣上升到30 千米高度。這是科幻還是科學(xué)？激光真的可以產(chǎn)生動(dòng)力嘛？

科幻電影中的星際旅行，很多都是采用“激光帆”作為前進(jìn)推力。

　　近幾年，科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)證明，激光除了用于被我們所熟知的醫(yī)療、材料加工以及高能武器等領(lǐng)域外，還可以作為一種新型的推進(jìn)技術(shù)，用于微型衛(wèi)星發(fā)射、飛行器姿態(tài)的調(diào)整等。

　　那么，激光究竟是如何產(chǎn)生推力，進(jìn)而推動(dòng)飛行器運(yùn)動(dòng)的呢？

　　通俗而言，激光推進(jìn)的基本原理如“透鏡取火”。眾所周知，普通的日光可以在凸透鏡的聚焦下，產(chǎn)生較高的溫度，點(diǎn)燃易燃物。與此類似，當(dāng)高能激光經(jīng)過透鏡聚焦于空氣時(shí)，一旦溫度達(dá)到或超過其發(fā)生變化的閾值，便會(huì)發(fā)生電離，形成高溫的等離子體并迅速膨脹，噴射而出，產(chǎn)生推力，猶如“御光飛天”一般。

　　具體來說，激光推進(jìn)的工作原理主要是指，從遠(yuǎn)距離地基激光裝置發(fā)出的高能激光束，經(jīng)過推進(jìn)器的拋物面反向鏡聚焦到吸收室（類似于化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室）或換熱器上，當(dāng)聚焦區(qū)域的激光能量密度達(dá)到或超過氣體的擊穿閾值時(shí)，吸收室里的空氣便會(huì)形成高溫高壓的等離子體流場噴射而出，其反作用產(chǎn)生推動(dòng)飛行器前進(jìn)的推力。略有不同的是，當(dāng)工質(zhì)為液體或固體時(shí)，在激光照射下，會(huì)發(fā)生氣化，噴射而出的是高溫高壓的蒸汽羽流。

　　分離出來的優(yōu)勢

　　作為一種基于強(qiáng)激光與工質(zhì)相互作用原理的新型推進(jìn)技術(shù)，在工作原理、能量轉(zhuǎn)化方式等方面都不同于現(xiàn)有的化學(xué)推進(jìn)。其中，“兩大分離”是其最主要特點(diǎn)，即：航天器與能源、能源與工質(zhì)間的完全分離。

　　如此，我們不僅要問，這種分離技術(shù)上的變革會(huì)帶來哪些優(yōu)勢？

　　對照傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的局限，可清晰看出激光推進(jìn)的優(yōu)勢所在――

　　一是成本低，載荷比更高。目前，現(xiàn)有的化學(xué)推進(jìn)火箭，載荷比普遍偏低，推進(jìn)劑的重量占到火箭總重的70%-90%，而有效運(yùn)載能力卻只占火箭總重量的5%左右。曾作為人類航天史上推力最大的“土星5號”運(yùn)載火箭，總起飛重量達(dá)到3038噸，但其中僅推進(jìn)劑就有2600多噸，占到了86%。

　　由此，我們不難看出，化學(xué)推進(jìn)的大部分推力其實(shí)都用在運(yùn)輸推進(jìn)劑上了，而非“有效載荷”。

　　得益于航天器與能源的分離，激光推進(jìn)最突出的優(yōu)點(diǎn)是不需攜帶大量的燃料，飛行器在大氣層中飛行時(shí)，只需通過激光束對空氣加熱。穿越大氣層后，少量工質(zhì)即可工作，這樣就可以把運(yùn)載工具的有效載荷提高到15%以上，發(fā)射費(fèi)用降低一至兩個(gè)數(shù)量級。

　　二是安全可靠、發(fā)射周期短。通常，提供能量的激光裝置固定在地面上，飛行器不必像現(xiàn)在的化學(xué)推進(jìn)火箭，需攜帶易燃易爆、甚至有毒的推進(jìn)劑，因此，這種發(fā)射方式相對安全許多。

　　與此同時(shí)，由于沒有了傳統(tǒng)復(fù)雜的能量發(fā)生子系統(tǒng)相關(guān)的部件，推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以得到相當(dāng)程度的簡化，相應(yīng)地減少了發(fā)射的中間環(huán)節(jié)，縮短了發(fā)射前檢測周期，有利于應(yīng)急發(fā)射。

　　三是可以突破單級化學(xué)推進(jìn)火箭的速度上限。雖然化學(xué)推進(jìn)火箭推力較大，但受到推進(jìn)劑燃燒和推力室結(jié)構(gòu)的限制，燃燒溫度不能太高，燃燒室壓力不能過大，單級化學(xué)推進(jìn)火箭推動(dòng)下的最終速度是有限的。根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，化學(xué)推進(jìn)的每一級火箭的最大速度只能達(dá)到10千米/秒。而在激光束的照射下，高溫等離子體的核心溫度可達(dá)10000-20000開氏度，其噴射速度可以輕松超過化學(xué)推進(jìn)劑燃燒時(shí)的噴射速度，因此，激光推進(jìn)具有突破單級化學(xué)推進(jìn)最高速度限制的潛力。

　　四是推力調(diào)節(jié)范圍大、控制精度高。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)使用不同能量級的激光和不同的推進(jìn)劑時(shí)，激光推進(jìn)器的推力可在非常大的范圍內(nèi)變動(dòng)。因此，通過對地激光束能量的調(diào)節(jié)，便可以更加方便地改變推力大小，滿足不同發(fā)射任務(wù)的要求和航天器的姿態(tài)調(diào)整等。

　　御光飛天終有時(shí)

　　戰(zhàn)爭是科技發(fā)展的催化劑，誰洞悉了科技發(fā)展演變的規(guī)律，誰就能趕超科技發(fā)展的腳步。目前，各國已普遍意識到激光推進(jìn)在未來航天發(fā)射領(lǐng)域所具有的革命性作用，紛紛加大了對相關(guān)技術(shù)的研發(fā)力度。

　　據(jù)外媒披露，美、俄、日等國已把激光推進(jìn)作為發(fā)展未來運(yùn)載工具優(yōu)先考慮的目標(biāo)，提出并試驗(yàn)制造了激光光船。

　　迄今為止，公開報(bào)道的激光推進(jìn)飛行器上升的最大高度是由倫斯勒理工學(xué)院創(chuàng)造的，在美國空軍的資助下，他們成功的將“光船”飛行器發(fā)射到了71米。目前，我國首個(gè)激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也已于2012年成立，邁出了探索新型高效航天推進(jìn)技術(shù)研究的堅(jiān)實(shí)步伐。

　　據(jù)科學(xué)家預(yù)測，如果新一代大功率激光器的研制能夠取得突破，到2020年前后，利用激光推進(jìn)系統(tǒng)可將數(shù)百千克的微型衛(wèi)星送入近地軌道。

　　假如這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，那么毫無疑問，人類將會(huì)迎來航天事業(yè)的嶄新紀(jì)元。

　　擁有快速進(jìn)入空間的能力是關(guān)乎未來戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵所在?；仡櫴澜缟辖鼛讏鼍植繎?zhàn)爭，軍用衛(wèi)星均大顯身手，對戰(zhàn)爭的勝利起到了重要的作用。但是，由于衛(wèi)星缺乏有效自身防護(hù)和靈活變軌的能力，正面臨各種威脅與挑戰(zhàn)。戰(zhàn)時(shí)一旦被擊毀，依照目前的衛(wèi)星發(fā)射水平，是很難做到及時(shí)補(bǔ)充的。試想一下，在未來爭奪制天權(quán)的作戰(zhàn)中，雙方主要軍事衛(wèi)星多被擊毀，但擁有快速發(fā)射衛(wèi)星能力的一方通過迅速補(bǔ)充損失衛(wèi)星，進(jìn)而取得空天優(yōu)勢，徹底扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)場局面，那將會(huì)是多么誘人的應(yīng)用前景。然而，受現(xiàn)有化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，諸如噴注控制、發(fā)射窗口以及費(fèi)用高昂等的限制，衛(wèi)星發(fā)射極不靈活。因此，對于軍事應(yīng)用而言，依靠傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)應(yīng)急發(fā)射衛(wèi)星。那么，未來實(shí)現(xiàn)快速飛天之路究竟在何方？激光推進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題，提供了一條的嶄新的思路和途徑。