光公路

如今的航天器都带有动力源。如果不带燃料及其笨重的部件而向飞船发射高强度的激光或微波能量，就可以极大地降低太空旅行的成本。1998年，美国航空航天局和美国空军做了许多实验验证了被称为光飞行器的东西。它是沿着从地球发射出来的脉动的红外激光束飞行的。飞行器的反射表面将激光束聚成一个环，这样就把空气温度加热到高出太阳表面温度5倍，使空气发生爆炸性的膨胀从而产生推力。美国空军研究实验室的F. B.米德（F. B. Mead）和我用一台军用10千瓦二氧化碳激光器（每秒脉动28次）成功地推动旋转稳定的微型光飞行器。它的直径是10~15厘米，约3秒钟内达到30米的高度。

以后我们把激光器的功率增加到100千瓦，使飞行高度达到30公里。尽管现在的模型机重量不到50克，然而我们的目标是：在5年内用定制的1兆瓦的地面激光器把重1公斤的微型人造卫星送人低地轨道，而耗电价值只有几百美元。

现在的光飞行器演示飞船是用普通航空品级的铝制成的，包括先进的飞船壳和蒙皮、环形整流罩，还有一只朝着船尾的喷咀。在大气层飞行中，向前的部位施压于空气，使空气向着发动机的入口处流动。环形整流罩受到推力的正面冲击，向船尾的部位作为抛物形收集镜，把红外激光集中成环形聚焦；同时提供了另一个界面，让排出的热空气压迫这个界面。飞船设计为自动驾驶，当飞行器开始运动到光束之外时，推力就递减。这时就把飞船推向回程。

按照上述方法，1公斤重的光飞行器，其速度可以达到约5马赫，高度约30公里。这时空气趋于稀薄，就打开飞行器上的液氢作为推进剂。1公斤的液氢足够把飞行器送人轨道。直径1.4米的飞行器用100兆瓦的激光束就能够使100公斤的微型人造卫星绕轨道运行。因为我们用的激光束是脉动的，可以把一组激光器联合起来使用，就很容易获得这样大的动力。

各种几何形状的光航天器能够对着而不是背向（也不是横向）它们的能源运动。这些不同样式的飞船有着荷重环绕行星运动的潜力。光航天器也可以用微波做动力源。微波不能获得激光那样高的动力密度，因此飞船必须做得比较大。但是微波比较便宜，而且容易逐步加大其动力。

我还设计出更为精致的束能飞行器，它是按照另一种与此不同的原理运作的。它可以运送旅客。因为它能更有效地产生推力，所以有利于装载更多的货物。

一面镜子把进入的束能聚集到飞船前面直径如同载体大小的一点上，高热产生——“空气脉冲”转换迎面而来经过飞船的空气的方向，这样就可以减轻牵引并降低飞行器的温度。

这种飞行器要求附加束能使之在边缘上产生强大的电场，使空气电离。它还用超导磁体使在那个区域里产生磁场。在这个结构中，被电离的空气流过电场和磁场时，磁体动力学的力开始起作用，使艉流加速而产生推力。

光飞行器用改变向前反射的能量、数量的办法来操纵环绕飞船的气流。1995年我在伦斯勒工业学院，在特超音速冲击波通道中用空气脉冲验证如何减小牵引力，当时用的是电加热等离子体喷灯而不是激光的能量。测试目的在于应用直径15厘米的装置，产生磁流体动力学的推力。人体大小的这类飞行器，用微波或1000兆瓦脉动激光器驱动，能在50公里的高度工作，并不难加速到轨道速度。

如果飞行器是由环轨道运行的太阳动力站来驱动的，那么就会给太空运输事业带来巨大的变革。但是轨道基础结构部件的成本最后也必须降低到每公斤几百美元以下。现在用太空飞船把1公斤有效载荷送人轨道，成本约2万美元，比上述要求贵了100倍。

我们可以设立专门为了廉价进入太空的第一个轨道动力站，以便弥补上述缺陷。设想制造一个直径1公里的结构，像一只巨大的自行车轮子沿着500公里高的轨道运行。它的质量约1010吨，旋转缓慢，以求得回转的稳定性。除了结构上的“辐条”，轮子上还有一个“盘子”，它是由55块0.32毫米厚馅饼片似的硅的碳化物制成的。一面用硅的碳化物遮覆，效率为30%。薄膜光伏打电池供应320兆瓦的电。这样的装置可望在10年内完成。另一面是132亿个微型固态传感器，每个横切面只有8.5毫米，传送1.5瓦微波功率。

今天使用的大升力化学火箭将这样的完整结构发射约55次，成本大概55亿美元，这还是负担得起的。动力站由一能量储存装置包围起来，这个装置由两条超导电缆组成，每条质量100吨，它可以用逆向电流充电（单条电缆要产生磁矩，这样的部件可排除强大的磁矩作用）。

在经过两个地球轨道期间，动力站为这个系统以1万亿焦耳的能量完全充电。这时它就定向播送43亿瓦的微波动力到约1170公里范围的光飞行器上。从一条电缆转换少量电流到另一条电缆上，所产生的扭力大致指向动力站。装在光飞行器上的指向标可以对它进行良好的控制：指向标会发出信号用以调整动力站上的各个传感器，使之在发射地点产生直径10米的圆斑。5分钟内飞船可以到达轨道，给乘客提供3 g（重力加速度）的加速度，宇航员自然经受相同的加速度。要不然，太阳动力站会在54秒钟的爆发中卸去它的全部能量，那样就会提供近乎垂直的20-g的加速度，把它助推到相对于地球位置固定的轨道上去，甚至达到逃逸速度。第一个轨道太阳动力站的意义在于，它为整个按照特殊目的设计的光飞行器发射和安装轨道站的事业铺平了道路。90年内，这些飞行器组成的机群将使环绕地球、去到月球以至更遥远的地方去作快速而廉价的旅行有了现实的可能。

——Leik N. Myrabo

（本文作者是美国伦斯勒工业学院工程物理学副教授，致力于先进推进技术、能量转换、特超音迷气体动力学的研究。）

光 帆

自从天文学家发现了宇宙所包含的行星数量多得出人意料，有关我们这个太阳系之外的世界的科学幻想，业已呈现出更为真实的面貌。研究那些遥远的行星使人感到地球是多么的特别，并从中获得更多的关于我们在宇宙中的位置的知识。这样的展望促使美国航空航天局（NASA）把注意力转向众多的恒星。

转移注意力是一回事，要实际去探测就遇到严峻的工程技术难题。要用今天的技术，即使到最近的恒星，也要几万年的时间。1998年，NASA调整了它的推进概念，可能使探测飞船飞到别的恒星，速度快得可以在40年内完成。这正好是一个科学家的职业寿命。现在大概可以考虑三件事：聚变、反物质和束能。在这三件事中，只有束能是理解充分的，可以成为现实的近期研究计划的一部分。

束能何以如此诱人，这是不难明白的。当你开车作长途旅行时，你依靠气站来供应燃料，还依靠机械来使它持续运转。相反，现在的航天器必须运送所有它需要的燃料，并且在没有人类参与的情况下持续运，转。然而有可能用某种办法让燃料和发动机都留在地球上吗？除了在飞行中进行修理成为可能，还要让航天器的部件不那么笨重因而易于加速。

束能是一条出路。工程分析指出：长期太空飞行的最佳途径是把激光照射在大而薄的“帆”上。这一观点是R. L. 福瓦德（R. L. Forward）在1984年提出的。激光器能够远距离发射能量，相对于质量来说，面积很大的帆能够接收很多的能量。也可以用别的束能，如微波。有些研究人员甚至在考虑将带电粒子束射向航天器。让射向飞行器的粒子通过一超导磁线圈，因而产生洛伦兹力，以之提供推力。但是用激光对准帆，似乎是现在最切实可行的选择。

在从激光器发出的光子打到帆上时，下列两件事中必有一件发生：或者它与环绕帆上原子的电磁场发生弹性碰撞并被反射；或者直接被帆，上的材料所吸收，使帆微微加热。两种过程都传递加速度，但反射传递的加速度是吸收的两倍。因此反射的帆效率最大。

激光提供的加速度与它传递到帆的力成正比，而与航天器的质量成反比。与其他的推进方法一样，光帆受到由热性质和材料强度所决定的性能的限制。这种性能还取决于我们对低质量结构的设计能力。已经提出的帆的设计是由抛光了的金属薄膜做成的，其中大多数还加上某种衬垫以增加结构的强度。

所能传送出去的动力受到帆的温度的限制：当金属表面较热时，其反射程度就较小。帆的温度可以设法降低，办法是用高效热辐射材料涂覆在它的反面。

要使航天器速度非常之快，就必须能承受得住它的加速度。光帆可以达到的极端速度取决地面激光器有效地照射到目标时，其间的距离有多长。激光有一个重要的性质叫做相干性。意思是说，它传递的能量不因距离增大而减小，直到它的临界值，称为衍射距离。超过这个距离，能量很快被释放，这就没有什么价值了。

激光的衍射距离和推动航天器的终极速度，是由激光器孔径的大小所支配的。高强度的激光器包含有数以百计的小激光器，它们用细金属线固定为一个阵列。有效孔径的大小大体是整个阵列的直径。在阵列捆扎得尽可能密集时，传递的动力最大。我们已经有一个排成花样的设计，接近于百分之百的捆扎密度。

在加州帕萨迪那喷气推进实验室里，我们研究了飞行的成本及权衡各个激光器的动力和阵列大小之间的关系。星际飞行任务要求孔径尺寸巨大。我们设计了一台相位控制的激光器阵列，在40年内发射探测器到半人马座附近的恒星上去，孔径（直径）达1000公里。幸好，星际飞行任务只需要比它小得多的孔径。一台46兆瓦的激光器照亮直径50米的金板帆，发射10公斤有效载荷，10天内可到达火星，孔径只需15米。在3~4年内就可以发射这种类型系统的探测器到太阳风和星际介质的边缘上去。

可以把光帆飞行器设计成自动跟随光束，因此可以从地球上来驾驶它。光帆还可以配备一外反射环，在到达目的地时将它分离出来应用；环可以像原来那样继续前进，它把激光反射回来到达帆的分离的中心部位，从而推着帆回家。

同光帆相关的工作正在进行。美国国防部已生产出高能激光器，而且把准确瞄准的能力作为它的弹道防御系统和可能的反卫星武器系统研究的一部分。还有，旨在反射太阳光的帆状结构已经作了试验。俄罗斯科学家已提出旋转的直径20米高分子太阳反射器作为在俄罗斯北部城市提供照明计划的一个部分。

美国国家海洋大气局打算在4年内发射由光帆作动力的航天器。这个航天器在地球和太阳之间的轨道上的不固定地点翱翔。航天器会提前1小时从那里发出关于太阳爆的粒子放射的警报。

NASA正在论证，将发展光帆作为低成本推进器以取代传统的火箭。正在研究的飞行任务包括：从地球轨道上的直径100米的光帆演示，直到通过我们的行星系边缘的冲击波的航行。

不久的将来，可以通过实验室试验来测量光帆候选材料的性质，这些材料是用在火星、Kniper区域和星际介质等飞行任务的。新墨西哥州的一台军用百万瓦级化学激光器可用来照射在航天器上展开的光帆，使合成加速度得到检验。计划中的百万瓦级激光器5年内可在没有动力网的情况下廉价运转，以助推轨道之间的光帆。我估计，10年之内这种激光器可以为去月球的科学飞行提供动力。

光帆使我们看到未来希望之光，看到快速而廉价地进入遥远恒星系以至更远的图景。总有一天，它会使遥远恒星系的旅行从幻想变为现实。

——Henry M. Harris

（本文作者是美国帕萨迪那喷气推进实验室研究星际探测的物理学家。）