當科學遇上想象

　　雨果曾說過：“科學到了最後階段，便遇上了想象。”

　　早在1953年，德國空間技術的先驅曾格爾就預言了使用光進行空間推進的可能性。後來，美國研究者在“低成本進入空間”研究任務中，也給出了激光推進單級入軌發射的概念。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？激光真的可以產(chan) 生動力嘛？

科幻電影中的星際旅行，很多都是采用“激光帆”作為(wei) 前進推力。

　　近幾年，科學家們(men) 通過實驗證明，激光除了用於(yu) 被我們(men) 所熟知的醫療、材料加工以及高能武器等領域外，還可以作為(wei) 一種新型的推進技術，用於(yu) 微型衛星發射、飛行器姿態的調整等。

　　那麽(me) ，激光究竟是如何產(chan) 生推力，進而推動飛行器運動的呢？

　　通俗而言，激光推進的基本原理如“透鏡取火”。眾(zhong) 所周知，普通的日光可以在凸透鏡的聚焦下，產(chan) 生較高的溫度，點燃易燃物。與(yu) 此類似，當高能激光經過透鏡聚焦於(yu) 空氣時，一旦溫度達到或超過其發生變化的閾值，便會(hui) 發生電離，形成高溫的等離子體(ti) 並迅速膨脹，噴射而出，產(chan) 生推力，猶如“禦光飛天”一般。

　　具體(ti) 來說，激光推進的工作原理主要是指，從(cong) 遠距離地基激光裝置發出的高能激光束，經過推進器的拋物麵反向鏡聚焦到吸收室（類似於(yu) 化學火箭發動機的燃燒室）或換熱器上，當聚焦區域的激光能量密度達到或超過氣體(ti) 的擊穿閾值時，吸收室裏的空氣便會(hui) 形成高溫高壓的等離子體(ti) 流場噴射而出，其反作用產(chan) 生推動飛行器前進的推力。略有不同的是，當工質為(wei) 液體(ti) 或固體(ti) 時，在激光照射下，會(hui) 發生氣化，噴射而出的是高溫高壓的蒸汽羽流。

　　分離出來的優(you) 勢

　　作為(wei) 一種基於(yu) 強激光與(yu) 工質相互作用原理的新型推進技術，在工作原理、能量轉化方式等方麵都不同於(yu) 現有的化學推進。其中，“兩(liang) 大分離”是其最主要特點，即：航天器與(yu) 能源、能源與(yu) 工質間的完全分離。

　　如此，我們(men) 不僅(jin) 要問，這種分離技術上的變革會(hui) 帶來哪些優(you) 勢？

　　對照傳(chuan) 統化學推進的局限，可清晰看出激光推進的優(you) 勢所在――

　　一是成本低，載荷比更高。目前，現有的化學推進火箭，載荷比普遍偏低，推進劑的重量占到火箭總重的70%-90%，而有效運載能力卻隻占火箭總重量的5%左右。曾作為(wei) 人類航天史上推力最大的“土星5號”運載火箭，總起飛重量達到3038噸，但其中僅(jin) 推進劑就有2600多噸，占到了86%。

　　由此，我們(men) 不難看出，化學推進的大部分推力其實都用在運輸推進劑上了，而非“有效載荷”。

　　得益於(yu) 航天器與(yu) 能源的分離，激光推進最突出的優(you) 點是不需攜帶大量的燃料，飛行器在大氣層中飛行時，隻需通過激光束對空氣加熱。穿越大氣層後，少量工質即可工作，這樣就可以把運載工具的有效載荷提高到15%以上，發射費用降低一至兩(liang) 個(ge) 數量級。

　　二是安全可靠、發射周期短。通常，提供能量的激光裝置固定在地麵上，飛行器不必像現在的化學推進火箭，需攜帶易燃易爆、甚至有毒的推進劑，因此，這種發射方式相對安全許多。

　　與(yu) 此同時，由於(yu) 沒有了傳(chuan) 統複雜的能量發生子係統相關(guan) 的部件，推進係統的設計可以得到相當程度的簡化，相應地減少了發射的中間環節，縮短了發射前檢測周期，有利於(yu) 應急發射。

　　三是可以突破單級化學推進火箭的速度上限。雖然化學推進火箭推力較大，但受到推進劑燃燒和推力室結構的限製，燃燒溫度不能太高，燃燒室壓力不能過大，單級化學推進火箭推動下的最終速度是有限的。根據齊奧爾科夫斯基公式，化學推進的每一級火箭的最大速度隻能達到10千米/秒。而在激光束的照射下，高溫等離子體(ti) 的核心溫度可達10000-20000開氏度，其噴射速度可以輕鬆超過化學推進劑燃燒時的噴射速度，因此，激光推進具有突破單級化學推進最高速度限製的潛力。

　　四是推力調節範圍大、控製精度高。根據現有的實驗研究，當使用不同能量級的激光和不同的推進劑時，激光推進器的推力可在非常大的範圍內(nei) 變動。因此，通過對地激光束能量的調節，便可以更加方便地改變推力大小，滿足不同發射任務的要求和航天器的姿態調整等。

　　禦光飛天終有時

　　戰爭(zheng) 是科技發展的催化劑，誰洞悉了科技發展演變的規律，誰就能趕超科技發展的腳步。目前，各國已普遍意識到激光推進在未來航天發射領域所具有的革命性作用，紛紛加大了對相關(guan) 技術的研發力度。

　　據外媒披露，美、俄、日等國已把激光推進作為(wei) 發展未來運載工具優(you) 先考慮的目標，提出並試驗製造了激光光船。

　　迄今為(wei) 止，公開報道的激光推進飛行器上升的最大高度是由倫(lun) 斯勒理工學院創造的，在美國空軍(jun) 的資助下，他們(men) 成功的將“光船”飛行器發射到了71米。目前，我國首個(ge) 激光推進及其應用國家重點實驗室也已於(yu) 2012年成立，邁出了探索新型高效航天推進技術研究的堅實步伐。

　　據科學家預測，如果新一代大功率激光器的研製能夠取得突破，到2020年前後，利用激光推進係統可將數百千克的微型衛星送入近地軌道。

　　假如這一目標得以實現，那麽(me) 毫無疑問，人類將會(hui) 迎來航天事業(ye) 的嶄新紀元。

　　擁有快速進入空間的能力是關(guan) 乎未來戰爭(zheng) 勝負的關(guan) 鍵所在。回顧世界上近幾場局部戰爭(zheng) ，軍(jun) 用衛星均大顯身手，對戰爭(zheng) 的勝利起到了重要的作用。但是，由於(yu) 衛星缺乏有效自身防護和靈活變軌的能力，正麵臨(lin) 各種威脅與(yu) 挑戰。戰時一旦被擊毀，依照目前的衛星發射水平，是很難做到及時補充的。試想一下，在未來爭(zheng) 奪製天權的作戰中，雙方主要軍(jun) 事衛星多被擊毀，但擁有快速發射衛星能力的一方通過迅速補充損失衛星，進而取得空天優(you) 勢，徹底扭轉戰場局麵，那將會(hui) 是多麽(me) 誘人的應用前景。然而，受現有化學推進技術，諸如噴注控製、發射窗口以及費用高昂等的限製，衛星發射極不靈活。因此，對於(yu) 軍(jun) 事應用而言，依靠傳(chuan) 統化學推進技術很難實現應急發射衛星。那麽(me) ，未來實現快速飛天之路究竟在何方？激光推進技術的出現，為(wei) 解決(jue) 這一難題，提供了一條的嶄新的思路和途徑。