激光帆將推動太空探索航天器飛行驅動模式變革

熱點：美國科技日報網站2022年2月23日報道，人類可借助激光帆技術驅動航天器，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(wei) 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行宇宙航行的一種航天器，是基於(yu) 太陽帆飛船的一個(ge) 升級概念。激光帆使用比太陽光效率更高的激光。現階段科技研究表明，激光帆技術是人類星際旅行最可行的技術。

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

美國極其依賴太空係統，太空活動的可持續性是美國的關(guan) 鍵戰略利益。塑造國際環境並實現對月球的開發與(yu) 登陸火星將大大增強美國在太空領域的國家安全、商業(ye) 和外交利益。為(wei) 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(cong) 近地軌道擴展到月球，並拓展到火星和更遠的星球。美國國家太空委員會(hui) 2020年7月23日發布報告《深空探索和開發的新時代》，該報告提出了美國未來太空探索和開發願景。

在浩瀚的太空中，其它星球距地球十分遙遠，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年時間才到達冥王星。前往半人馬座（ProximaCentauri，距地球約4.37光年）星係，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.新型激光帆技術有望滿足探索外太空需求

為(wei) 滿足探索外太空需求，研究人員提出了核聚變發動機、物質-反物質推進器，甚至是利用黑洞原理打造的未來發動機等，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(jin) 效率低下，還難以滿足距離更遠的外太空探索需求。新型激光帆技術是利用激光束發射和操縱裝有矽或氮化硼激光帆的微型探測器，可調整探測器的飛行軌道，或將航天器推到接近光速的速度，執行太空探索或星際飛行任務。這些由由激光驅動的激光帆技術有望滿足探索外太空需求，可為(wei) 未來快速太空探索和星際飛行奠定技術基礎。

二、技術基礎

1.激光帆概述

（1）激光帆概念

激光帆技術是從(cong) 地球上發射的激光束照射至可操控的安裝有矽或氮化硼“帆”上，光子對“帆”產(chan) 生反作用力推動激光帆進而推動航天器加速，可調整航天器的飛行軌道，或將航天器推到接近光速的速度，執行太空探索或星際飛行任務。

1984年，美國休斯飛機公司研究實驗室的物理學家羅伯特·福沃德在其標誌性的論文中，提出了采取古老風帆技術進行星際旅行的理念。受該概念啟發，美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室科學家羅伯特·弗裏斯和他的研究小組發明了激光帆理論。弗裏斯比認為(wei) ，大海中的風能推動帆船航行，同樣一道強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後便轉化成動力並推動航天器前進。科學家設想用激光器為(wei) 航天器提供動力，讓其逐漸提速，並奔向遙遠的世界，這就是激光帆概念。

（2）基本原理

激光帆工作原理與(yu) 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係甚至更遠。激光帆是航天器的推進器，由反射層和發射層構成，如圖1所示。激光是由有動量的光子構成，當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，由於(yu) 力的相互作用，反射層將大多數光子垂直於(yu) 帆麵“反彈”回去的同時，光子也會(hui) 對太陽帆產(chan) 生反作用力，這種反作用力推動激光帆進而推動航天器前進。極少數沒有被“反彈”的光子被吸收，以熱能的形式通過發射層發射出去，對航天器的速度產(chan) 生負麵影響。激光帆依賴光子作為(wei) 動力來源，當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，使激光帆驅動的航天器能夠獲得比傳(chuan) 統的火箭燃料驅動航天器快得多的飛行速度，可大幅縮短星際旅行時間。

采用激光帆技術的航天器隻需由運載火箭發射升空，在進入預定軌道並展開激光帆後，便可在不使用化學燃料的情況下通過改變激光帆的朝向來實現加減速和轉向。航天器無需攜帶傳(chuan) 統推進方式必須攜帶的燃料。理論上，此類航天器在經過足夠長的加速時間後，可實現超過當前化學燃料推進器所產(chan) 生的最大速度，可將航天器持續加速達到接近光速的速度。這種不攜帶燃料的激光帆推進方式將開辟全新的太空探索方式。

激光帆的構成及工作原理圖

激光帆驅動的航天器渲染圖

2.國外主要研究情況

1984年，美國休斯飛機公司羅伯特•福沃德提出了采取古老風帆技術進行星際旅行的理念。此後，科學家們(men) 提出了“太陽帆”概念並研製出簡單的“太陽帆”航天器。

2016年，英國物理學家斯蒂芬•霍金與(yu) 尤裏·米爾納共同開啟了名為(wei) “突破攝星”（Breakthrough Starshot）的太陽係外飛行技術開發和實踐計劃，啟動資金1億(yi) 美元，最終任務成本為(wei) 50至100億(yi) 美元，開發名為(wei) 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係。第一枚航天器將在2036年左右發射。

2017年1月，美國航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室“先鋒推進概念”研究項目負責人羅伯特·弗裏斯詳述了未來讓人類能在“有生之年”進行“星際之旅”的可行性。該激光帆設想一個(ge) 巨大的鋁箔激光帆，駕駛員座艙位於(yu) 激光帆中間，在地球軌道或月球表麵上建成一個(ge) 強大的激光源，經過數年的激光驅動使激光帆航天器達到最高飛行速度。

2018年3月，加利福尼亞(ya) 大學聖塔芭芭拉分校研究團隊於(yu) 開發出用於(yu) 推進和小行星偏轉的激光陣列(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(ge) 帶有1米激光帆大小的航天器在10分鍾內(nei) 飛行速度達到26%的光速，可在30分鍾內(nei) 到達火星。該團隊目前已經研製出硬件組件，並進行了各種實驗。

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

2019年12月，紐約羅切斯特理工學院光學Grover Swartzlander研製出一個(ge) 由兩(liang) 個(ge) 衍射光柵並排放置的激光帆。每個(ge) 光柵均由排列整齊的液晶構成，液晶可使光線以一定的角度偏轉，產(chan) 生的推力使帆向後方和側(ce) 方運動。該激光帆左側(ce) 的光柵可將光束偏轉到激光束的右側(ce) ，反之亦然。如果激光帆的位置發生移動，激光束落在帆的兩(liang) 側(ce) 後就會(hui) 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幹擾的方法，成功地探測到激光帆產(chan) 生了令其重新回到激光中心的推力，將它推回到與(yu) 激光束對齊的位置。這項研究成果對激光束始終保持穩定照射在激光帆上十分重要。

2022年2月，美國加州大學洛杉磯分校達沃研究組報道了其最新研究成果。從(cong) 地球上發射低功率激光束可驅動和操縱裝激光帆的微型航天器，將其推進到比火箭發動機快得多的速度，可用於(yu) 改變航天器的軌道或將其快速推進到太空中更遠的地方。航天器上安裝有矽或氮化硼帆構成的激光帆捕捉激光束獲取能量，可調整航天器的軌道，或將航天器推到接近光速的速度，執行太空探索或星際飛行任務。激光帆的最佳材料是納米級結構的氮化矽和氮化硼，可實現高反射率和快速冷卻。這些由激光帆驅動的航天器可為(wei) 快速太空探索和未來的星際飛行鋪平道路。

三、幾點認識

1. 引起航天器飛行驅動模式變革

如果人類掌握了激光帆技術，那麽(me) 人類探索太空將不用再擔心遠距離飛行的燃料問題。此外，通過巧妙的設計，當航天器接近目的地時，可通過激光發射控或控製帶有旅行艙的“帆”的中間部分與(yu) “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。根據弗裏斯比的研究，激光帆航天器在不到10年的飛行時間內(nei) ，其速度就可達到光速的一半。如果采用直徑為(wei) 200英裏的激光帆，人類可在12年半的時間內(nei) 抵達阿爾法人馬座恒星係；采用600英裏的激光帆，與(yu) 巨蠍座55星中類似地球的行星相會(hui) 也隻需86年。可有望實現人類在“有生之年”探索太空行星的問題。激光帆技術無疑將引起飛行器驅動模式的革命性變革。

2.技術難度大，耗資巨大，短期內(nei) 難以實現

如果使用激光帆技術幫助人類飛向巨蠍座55星，那麽(me) 激光器的輸出功率將是驚人的。根據弗裏斯比的估算，推動航天器所需的激光器連續穩定能量輸出應達17000萬(wan) 億(yi) 瓦特。要實現如此巨大的能量輸出，技術難度和花費無疑是巨大的，在短期內(nei) 恐難以實現。如果激光器陣列放置在地球表麵，激光易受大氣影響，地麵向激光帆發射穩定激光也存在較大技術難度。此外，如此以光年計的遙遠距離，對航天器激光帆的穩定跟蹤、瞄準也將是一個(ge) 巨大的技術難題。

3.激光帆技術促進激光及相關(guan) 產(chan) 業(ye) 發展

利用激光帆技術推進航天器將促進激光及相關(guan) 產(chan) 業(ye) 發展，形成規模非常龐大的產(chan) 業(ye) 群。

首先是推動激光技術的發展。根據星際探索需求，激光帆需要連續工作數十年，對激光器的可靠性提出了很高的要求，將推動工業(ye) 光纖激光器和放大器行業(ye) 的發展，有望設計出效率更高、高可靠性和成本更低的激光器和放大器。為(wei) 了克服大氣對激光的影響，利用置於(yu) 地球同步軌道的太空太陽能電站將太陽能轉化為(wei) 激光，再將激光發射到激光帆，涉及太陽能-激光模塊高光束質量、小型化、輕量化、散熱等一係列技術，這些問題的有效解決(jue) 將推動激光技術的發展。

其次，激光束的穩定跟蹤技術。在以光年為(wei) 距離單位的浩瀚太空中，激光束始終保持跟蹤和瞄準激光帆，技術難度可想而知。該問題的有效解決(jue) 將大幅推動光學穩定係統技術的發展。

此外，也將促進材料相關(guan) 技術發展。在惡劣的外太空環境中，對激光帆材料提出了嚴(yan) 苛的要求，反射層、發射層不僅(jin) 要滿足光子推動效應的要求，還要經受各種太空輻射的侵蝕。該技術也必將推動材料技術的發展。