航天大國都計劃在未來十年向火星發射載人任務。雖然這代表了空間探索方麵的巨大飛躍，但它也帶來了重大的後勤和技術挑戰。首先，每隔26個(ge) 月，當我們(men) 的兩(liang) 顆行星處於(yu) 彼此軌道的最近點時（“對角”期間），才能向火星發射任務。使用目前的技術，從(cong) 地球到火星需要6~9個(ge) 月的時間。

即便使用核熱或核電推進（NTP/ NEP），單程可能需要100天才能到達火星。然而，蒙特利爾麥吉爾大學的一個(ge) 研究小組評估了激光-熱推進係統的潛力。根據他們(men) 的研究，一個(ge) 依靠新型推進係統的航天器——激光被用來加熱氫氣燃料——可以將到達火星的過境時間減少到僅(jin) 45天。

這項研究由Emmanuel Duplay領導，他目前是代爾夫特理工大學航空航天工程碩士生。他與(yu) 安德魯·希金斯副教授和麥吉爾大學機械工程係的多名研究人員一起工作。他們(men) 的研究題為(wei) “利用激光-熱力推進的快速過境火星任務的設計”，最近該方案提交給了《天文學和天體(ti) 》雜誌。

近年來，定向能（DE）推進一直是相當主流的研究主題。這方麵的例子包括星光計劃——也被稱為(wei) 星際探索定向能推進（DEEP-IN）和定向能星際研究（DEIS）計劃，由菲利普·盧賓教授和加州大學洛杉磯分校實驗宇宙學小組（ECG）開發。作為(wei) 2009年開始的美國航空航天局資助的研究的一部分，這些計劃旨在為(wei) 星際任務探索大規模定向能應用。

還有Breakthrough Starshot和Dragonfly研究項目，這兩(liang) 個(ge) 項目都是由星際研究計劃（i4iS）在2013年主持的設計研究中產(chan) 生的。這些概念要求用一個(ge) 千兆瓦功率的激光陣列將光帆和小型航天器加速到光速的一小部分（又稱相對論速度），以便在幾十年內(nei) 到達附近的恒星係統，而不是幾個(ge) 世紀或幾千年後。

雖然這些概念都是以星際為(wei) 重點，但Duplay和他的同事們(men) 探討了星際概念的可能性。

“定向能推進的最終應用是將光帆推進到星際，進行真正的星際旅行，這種可能性促使我們(men) 的團隊進行這項研究。我們(men) 對激光技術如何用於(yu) 太陽係的快速運輸感興(xing) 趣，希望這將是一個(ge) 能夠證明該技術的工作。”Duplay說到。

除了激光帆板推進，DE正被探索用於(yu) 其他幾個(ge) 空間探索。這包括與(yu) 航天器和永久陰影棲息地之間的動力傳(chuan) 輸（如阿特米斯計劃）、通信、小行星防禦和尋找可能的技術特征。還有關(guan) 於(yu) 激光-電力航天器的概念正在被美國航空航天局評估，並作為(wei) 加州大學洛杉磯分校實驗宇宙學小組和麻省理工學院之間合作研究的一部分。

在這種應用中，激光被用來向航天器上的光伏陣列提供電力，這些電力被轉換為(wei) 霍爾效應推進器（離子發動機）的動力。這個(ge) 想法類似於(yu) 核電推進（NEP）係統，其中激光陣列取代了核反應堆的位置。正如Duplay所解釋的，他們(men) 的概念是相關(guan) 的，但又是不同的。

“我們(men) 的方法是對這些概念的補充，因為(wei) 它使用相同的相控陣激光器概念，但將在航天器上使用更強烈的激光流量來直接加熱推進劑，類似於(yu) 一個(ge) 巨大的蒸汽壺。這可以讓航天器在仍然受地球引力影響時迅速加速，因此激光不需要聚焦到空間那麽(me) 遠。”Duplay解釋道，“我們(men) 相信，我們(men) 甚至可以使用相同的激光動力火箭發動機將助推器帶回地球軌道，在它將主運載工具拋向火星之後，使其能夠快速回收，用於(yu) 下一次發射。”在這方麵，Duplay和他的同事提出的概念類似於(yu) 核熱推進（NTP）係統，其中激光取代了核反應堆。除了DE和氫推進劑之外，激光-熱能航天器的任務架構還包括來自其他架構的若幹技術。

Duplay指出，“作為(wei) 單一光學元件的光纖激光器射線，當激光束到達航天器進入加熱室時可用於(yu) 聚焦的充氣式空間結構，以及開發高溫材料，使航天器在到達時能抵禦火星大氣層的衝(chong) 擊。”

鑒於(yu) 火星上沒有激光陣列，一旦航天器到達火星就會(hui) 減速，這最後一個(ge) 因素是至關(guan) 重要的。“充氣反射器是其他定向能架構的一個(ge) 關(guan) 鍵：被設計成高度反射，它可以維持比光伏板更大的單位麵積激光功率，與(yu) 激光-電力推進相比，這個(ge) 任務以適度的激光陣列尺寸是可行的，”Duplay補充說。

通過結合這些元素，激光-熱能火箭可以實現非常快速的火星任務，時間將短至六周——這在以前被認為(wei) 隻有核動力火箭發動機才可能做到。最直接的好處是，它為(wei) 深空飛行的危險如長期暴露在輻射和微重力下，提出了一個(ge) 解決(jue) 方案。

同時，Duplay說，這項任務帶來了一些障礙，因為(wei) 所涉及的許多技術都是尖端的，還沒有經過測試。“激光加熱室可能是最重大的挑戰。我們(men) 能否在激光束將氫氣（推進劑）加熱到超過10000K的溫度時保持耐受，同時保持室壁的冷卻。目前的模型認為(wei) 這是可行的，但尚不能進行全麵的實驗測試，因為(wei) 我們(men) 還沒有建造所需的100兆瓦激光器。”

雖然這個(ge) 擬議的任務架構中的大部分技術以及其他類似的提議仍處於(yu) 理論和開發階段，但它們(men) 的潛力是毋庸置疑的。將到達火星的時間減少到幾周而不是幾個(ge) 月，將解決(jue) 火星任務的兩(liang) 個(ge) 最大挑戰，主要是為(wei) 了後勤和健康考慮。

此外，在地球和火星之間建立一個(ge) 快速運輸係統，將加速地球和火星之間基礎設施的建立。這可能包括在火星軌道上建立一個(ge) 類似Gateway的空間站，就像洛克希德·馬丁公司提議的火星大本營，以及一個(ge) 激光陣列來減速進入的航天器。這些設施的存在也將加速在火星表麵建立永久性人類存在的計劃。正如希金斯教授所總結的：“Duplay領導的火星45天飛行設計研究的動機，是探索菲利普·盧賓小組正在開發的相控陣激光技術的其他應用。通過激光向太空深處輸送能量的能力將是一項顛覆性的推進和動力技術。我們(men) 研究考察了激光熱能方法，這看起來令人鼓舞，但激光技術本身才是真正的遊戲規則改變者。”