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太空技术新突破:光子火箭推进器可望成真

2007-10-07 10:07
林契于宸
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大概在35年前就被工程师想象过的“光子火箭推进器(photonic thruster)”可望成真。日前在一场于美国加州举行,由美国航空和太空学会(American Institute of Aeronautics and Astronautics)举办的2007年度太空技术研讨会上,工程师介绍了一种以激光火箭推进器所构成的实验性航天飞机推进系统。

今年初,由美国太空总署(NASA)所赞助的光子激光推进系统(photonic laser propulsion,PLP)进行了成功的测试。而在太空技术研讨会上所进行的展示,是由位于美国加州Tustin的Bae Institute及其创始人Young Bae所主持;Bae曾担任SRI International、Brookhaven国家实验室以及美国空军研究实验室的科学家。

Bae表示已经消除将光子火箭推进器应用于航天飞机的最后障碍。其它的相关设计所面临的问题,一直就是其推力非常小,以及难以用激光去对准推进方向的问题。Bae表示,已透过把光共振腔(optical cavity)整合在一种限制定向光子(beamed photons)的激光之中来解决这些问题,并因此把它们的光线压力放大了3,000倍,好能在太空中轻易地对准中央部位的激光。

“我们的光子激光推进器的基础,是由分别放置在两个太空站(space platforms)的高反射系数的镜面之间,所形成的主动共鸣(active resonant)光共振腔;”Bae表示:“而技术的突破,是在PLP中的激光增益媒介(laser gain medium),实际上是位于光共振腔之中;而过去的失败案例,在于企图设计一种被动的共鸣腔,而其激光增益媒介是位于光共振腔的外部。”

起初,PLP设计工程师设想采用大型地面激光来产生足够的强度,并做为推进时的捕手(backstop);后来又转向采用在太空间中的被动光共振腔。但不幸的是,这些设计没有一个能够展示足够的推进力。

相较之下,Bae利用可在太空运作、不会因为通过地球大气层而衰减的小型、廉价激光器,证明其主动光共振腔能够提供数个毫牛顿(milliNewtons,mN)的推力。这种设置在太空中的激光平台会发射光束来推动宇宙飞船,同时利用在相反方向的平衡光束、或是附着于激光平台的传统推进器来保持中央的激光固定不动。

对于在地球轨道上的使用,Bae声称太空中的卫星再也不需要为它们自己的反推进火箭(retro-rocket)特别设计电源,而是可以利用位于中央的激光平台,以其激光束提供时常同步的轻推作业,以保持卫星在轨道上的位置。

而对于深入太空的任务,由光线压力产生的微弱推力会随着时间的推移而增加。因为当利用光子动力时不存在燃料耗尽的问题,宇宙飞船仅仅需要镜面来反射激光光,一旦激光光打开,它能够根据需要尽可能维持运作,以持续地加速宇宙飞船,使之达到理论的速度极限──光速。

Bae表示,采用传统的火箭从地球到火星需要6个月,但采用光子推进器,宇宙飞船可能只需要一星期就能抵达火星。

“对mN等级的低推动力应用,如小型的宇宙飞船,我们的展示原型机所获得的推力是足够的;”Bae表示:“而对于N量级推力的较大型宇宙飞船应用,我们计划增加现有PLP引擎的推动力;我们相信在几年内能够实现。而对于kN量级的更大推力应用,我们计划研究新的基础技术,如太空核子动力激光系统。”

(参考原文:Photonic thruster pulses into existence)

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