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地面激光器可以加速航天器飞往其他恒星

导读 太空探索的未来包括一些相当雄心勃勃的计划,将任务发送到距离地球比以往更远的地方。除了目前在顺月空间建设基础设施和定期向月球和火星发...

太空探索的未来包括一些相当雄心勃勃的计划,将任务发送到距离地球比以往更远的地方。除了目前在顺月空间建设基础设施和定期向月球和火星发送载人任务的提议之外,还有计划向太阳系外层、太阳引力透镜的焦距,甚至是向月球和火星发送机器人任务。探索系外行星最近的恒星。实现这些目标需要能够实现高推力和一致加速度的下一代推进系统。

聚焦激光阵列(或定向能 (DE))和光帆是一种正在被广泛研究的手段,例如突破摄星和蜂群比邻星。除了这些提议之外,蒙特利尔麦吉尔大学的一个团队还提出了一种用于探索太阳系的新型定向能推进系统。在最近的一篇论文中,该团队分享了他们的激光热推进(LTP)推进器设施的早期结果,这表明该技术有潜力为星际任务提供高推力和比冲。

该研究小组由麦吉尔星际飞行实验研究组(IFERG)本科生研究实习生Gabriel R. Dube和IFERG 首席研究员Andrew Higgins副教授领导。代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究生研究员Emmanuel Duplay也加入了他们的行列;Siera Riel,IFERG 暑期研究助理;Jason Loiseau,加拿大皇家军事学院副教授。该团队在 2024 年 AIAA 科学技术论坛暨博览会上展示了他们的研究成果,并在 AIAA 期刊《航空航天研究中心》(ARC) 上发表了一篇论文。

希金斯和他的同事最初在 2022 年发表在《宇航学报》上的一篇论文中提出了这个概念,题为“使用激光热推进技术快速运送火星任务”。正如《今日宇宙》当时报道的那样,LTP 的灵感来自于Starshot和Project Dragonfly等星际概念。然而,希金斯和他来自麦吉尔的同事们感兴趣的是,同样的技术如何能够在短短 45 天内实现快速穿越太阳系的火星任务。他们认为,这种方法还可以验证所涉及的技术,并作为星际任务的垫脚石。

正如希金斯通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样,这个概念是在大流行期间他们无法进入实验室时想到的:

“我的学生对如何使用突破摄星计划中设想的大型激光阵列进行了详细的概念研究,以在太阳系中执行更近期的任务。我们没有为“突破摄星”设想使用直径 10 公里、100 吉瓦的激光器,而是将自己限制在直径 10 米、100 兆瓦的激光器,并证明它能够向接近远方的航天器提供电力月亮的。通过将氢推进剂加热到 10,000 秒 K,激光能够实现高推力和高比冲的“圣杯”。”

这个概念类似于核热推进(NTP),美国宇航局和美国国防部高级研究计划局目前正在为火星快速运输任务开发核热推进。在 NTP 系统中,核反应堆产生的热量导致氢或氘推进剂膨胀,然后通过喷嘴聚焦以产生推力。在这种情况下,相控阵激光被聚焦到氢气加热室中,然后通过喷嘴排气,以实现3000秒的比冲。他说,自从希金斯和他的学生回到实验室以来,他们一直在尝试通过实验验证他们的想法:

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