激光推进可以将火箭发射到太空

一种概念性的微波推进光船接收来自地面微波源阵列的微波束。

几十年来，太空发射一直唤起着同样的画面：当火箭升空、盘旋和升空时，明亮的橙色火焰在火箭下面爆炸。但一些研究人员提出的另一种推进系统可能会改变这一观点。

这一新概念被称为射束热推进，它不是火箭上的爆炸性化学反应，而是通过从地面向火箭照射激光或微波来推进火箭。这项技术将使可重复使用的单级火箭成为可能，该火箭的有效载荷空间是传统火箭的两到五倍，这将降低将有效载荷送入近地轨道的成本。

美国国家航空航天局目前正在进行一项研究，以研究在太空发射中使用波束能量推进的可能性。这项研究预计将于2011年3月结束。

在传统的化学火箭推进系统中，燃料和氧化剂在高压下被泵入燃烧室并燃烧，从而产生废气，这些废气以高速从喷嘴向下喷射，将火箭向上推进。

射束热推进系统将包括将微波或激光束聚焦在火箭上的热交换器上。热交换器将辐射的能量传递给液体推进剂，很可能是氢气，将其转化为热气，并将其推出喷嘴。

Kare技术咨询公司总裁Jordin Kare说：“基本想法是制造将能源留在地面的火箭。”他于1991年开发了激光热发射系统的概念。“你将能量从地面传输到车辆。”

由于光束不断照射在飞行器上，激光将飞行器送入轨道需要8到10分钟，而微波将在3到4分钟内完成任务。该飞行器的设计必须没有可能反射危险光束的闪亮表面，飞机和卫星也必须远离光束的路径。Kare说，任何发射系统都将建在高海拔沙漠地区，所以对野生动物的危险不应该是一个问题。

热推进运载火箭比化学火箭更安全，因为它们不会爆炸，飞行时也不会脱落。它们也更小、更轻，因为大部分复杂性都在地面上，这使它们更容易、更便宜地发射。

Kare说：“人们可以随时发射小型卫星用于教育、科学实验、工程测试等，而不必等待与大型卫星共享的机会。”

另一个成本优势来自更大的有效载荷空间。虽然传统的推进系统受到推进剂中燃烧释放的化学能的限制，但在波束系统中，你可以从外部添加更多的能量。这意味着航天器可以使用不到传统系统一半的推进剂获得一定的动量，从而为有效载荷留出更多的空间。

美国国家航空航天局艾姆斯研究中心微波热火箭项目负责人凯文·帕金说：“通常，在传统火箭中，你必须有三级，总的有效载荷分数为3%。”“该推进系统将是单级的，有效载荷比例为5%至15%。”

激光推进航天器将是小型、简单和可消耗的，地面上有复杂的发射系统。

帕金说，拥有更高的有效载荷空间和可重复使用的火箭，可以使波束热推进成为将材料送入近地轨道的低成本方式。

帕金在2001年提出了微波热推进的想法，并在2006年的博士论文中描述了实验室原型。他说，由于被称为回旋管的微波源在过去五十年中发生了变化，现在应该可以建立一个实用的现实世界系统。1兆瓦的设备目前在市场上的售价约为100万美元。

他说：“在过去的几十年里，它们的功率和成本都在以数量级的速度上升。”“我们已经到了一个地步，你可以把大约一百个结合起来，制成一个发射系统。”

同时，Kare说，使用激光发射能量的最大障碍是误解，认为这需要一个非常大、昂贵的激光器。但你可以购买商用激光器，这些激光器可以安装在一个集装箱上，并构建几百个阵列。“每一个都有自己的望远镜和指向系统，”他说。“这个阵列将覆盖一个高尔夫球场大小的区域。”

最小的实际激光发射系统将具有25至100兆瓦的功率，而微波系统将具有100至200兆瓦的功率。Kare说，建造这样的阵列将是昂贵的，尽管与开发和测试化学火箭类似，甚至更低。如果该系统每年至少发射几百次，那么它将具有最大的经济意义。

此外，Parkin说，“梁设施的主要部件应能持续运行一万多个小时，这是此类硬件的典型特征，因此节省的费用足以偿还初始成本。”

在短期内，波束能量推进将有助于将微型卫星送入近地轨道，用于高度变化或减缓航天器下降到地球的速度。但这项技术在未来可以用于向月球或其他行星发送任务，并用于太空旅游。

Kare为美国国家航空航天局高级概念研究所研究了使用激光推进星际探测器的可能性。深空发射需要更高功率的激光器、更大的望远镜系统以及太空中的激光中继站。在星际距离上为任务提供动力需要更大的激光器和望远镜，以及使用比液氢更容易储存的推进剂的不同推进技术。

例如，将航天器发射到木星的卫星上需要一个能产生数十亿瓦功率的激光器。Kare说：“你必须再拥有几代天基望远镜才能做到这一点。”“事实上，你可以用这种方式发射星际探测器，但现在你说的激光功率可能高达数千亿瓦。”他说，激光技术可能在未来50年内达到这些水平。