专栏名称: 星海航纪

Beam Me Up——波束推进

星海航纪 · 知乎专栏 · · 2016-03-07 12:28

正文

在目前的化学火箭基础上的太空航运，携带远远超过载荷质量的燃料是一个非常严重的瓶颈，因为大多数燃料都浪费在了把燃料本身送入轨道。例如 SpaceX 的 Falcon 9，发射重量 505,846 千克，发射到 LEO 的载荷却只有 13,150 千克，也就是燃料的质量是载荷质量的几十倍，从而开始发射时的燃料需要推动远远大于载荷的质量，大部分的燃料花费在了推动燃料本身。[1]

这里有一个来自行星资源公司的视频，解释了火箭燃料的问题。链接：行星资源公司：为什么我们要开采小行星？

在更加低成本的推进方式设计中，有的推进设计都是不需要携带燃料的，例如光帆；有的设计是使用了效率更高的推进剂，例如电推；还有的设计只是减少了飞船上设备质量。这一篇文章，我们主要讨论一个跟这些设计都有关系的设想——波束推进。

Beam Me Up

使用工质的火箭推进的原理，几乎都是动量定理：利用工质喷出时的反冲。工质的利用效率，很大程度上取决于工质喷出时相对于火箭的速度。相同质量的工质喷出的速度越高，火箭受到的推力就越大。

在一个很短的时间 $\delta t$ 内，火箭受到由工质以速度 $v_e$ ，喷出所产生的推力为 $F = m v_e/\delta t$ .

然而对于化学火箭，由于化学能的能量密度是非常有限的，喷出的气体的速度也非常有限。然而如果我们有一种方法让气体温度变得更高，气体的喷出速度就会更快，燃料利用效率就更高。同时，产生高温需要非常多的能量，也就意味着需要更重的设备，也就意味着原本作为载荷的质量现在只能让给这些设备了。

倘若我们可以将能量在地面转换成激光或者微波（总之要定向性好），然后直接传给飞船呢？这样飞船上很多沉重庞大的设备就不再必要了，更轻的飞船，更多的载荷。

光帆

从这样的设想出发，最容易想到的是将这种波束照向光帆——毕竟光帆原本就是利用反射光来产生动力的。

上图：光帆通过反射光子来产生推力。来源：LightSail: Solar Sail Spacecraft Restored Contact After Software Glitch (TWEETS, VINE) : News : Headlines & Global News

激光驱动的光帆，是 Robert Forward 在一篇关于星际旅行的论文中提出的。[2] Robert Forward 的星际旅行方案是使用一个巨大的光帆，甚至直径达到 1000 千米，在激光的推动下，巨大的光帆可以将飞船加速到光速的五分之一。即将到达目的地时，光帆一分为二，外层一圈巨大的环状光帆从飞船上脱离，地球的激光被外圈庞大的光帆反射到一个直径小得多的内层光帆上，飞船上剩下的光帆就会被从前进的方向前方的激光照射，从而减速。

上图：激光推动的光帆。按照设计，往返距离地球10.5光年天苑四只需要 51 年。PARALENS 的目的是用来聚焦波束。很多细节技术上来讲都是极其困难的。来自 Robert Forward, 1984。

光船

激光光帆进行星际旅行，是一个飞船伟大的设想。由于目前技术上巨大的困难，我们是无法在近期实现的。我们可以把眼光放得更近一些，波束驱动对于我们近未来有哪些有价值的启发。

最著名的当属美国 Air Force Research Laboratory 进行过很多实验的光船（lightcraft）：一个经过特殊设计的橡果形状物体，当激光照射到底部的时候，激光会电离物体表面附近的空气，产生强烈的冲击波，从而推进物体上升。当通过调节激光照射的速率，这个橡果型物体的飞行是可以达到相对稳定的状态的。

上图：橡果型物体后部经过特殊设计，可以将激光聚焦在边缘，从而电离空气产生冲击波。来自 Eric Davis & Franklin Mead, 2008。

目前的设计的目标是将载荷送入 LEO，即近地轨道。上面的实验中，是使用空气作为工质的，进入一定高度，空气过于稀薄的话就不再工作了。这时候可以选择使用其它的工质，例如可以被激光气化的固态工质，或者装在容器中可以被激光加热到极高温度的气体。

上图：从起飞到近地轨道的不同阶段。起飞是使用的空气作为工质，到达一个高度之后，切换到飞船自带的工质。来自 Eric Davis & Franklin Mead, 2008。

我们就差个程序员了

波束推进自然可以用在很多其它的推进方式上，例如可以用在电推上，因为有了更加大功率的光源，从而不需要很大的太阳能电池板或者其它的发电设备；在比如可以直接用来加热气体，用来取代飞船上需要携带的热核加热设备等等。同时与热核火箭这些高效率的推进理论相比，至少波束推进不需要考虑坠毁后造成放射性污染。

也许在一个开放的未来，在太空中航行的，是外形样式各样、推进方式各异、品牌不同的飞船，而单单波束推进，或许就可以成就一方飞船业巨头。早期的鸟儿有虫吃，这样的话，我们就差程序员，公司就能开起来了【误】。

参考文献

Falcon 9 on wikipedia
Forward, R. L. (1984). Roundtrip Interstellar Travel Using Laser-Pushed Lightsails. Journal of Spacecraft and Rockets, 21(2), 187–195. doi:10.2514/3.8632
Davis, E. W., Mead, F. B., & Pakhomov, A. V. (2008). Review Of Laser Lightcraft Propulsion System. AIP Conference Proceedings, 997(1), 283–294. doi:10.1063/1.2931899
Lightcraft: A Laser Push to Orbit from Centauri Dreams.
题图来自 Beam Me Up Scotty! :) by DemoDomo on DeviantArt