激光帆将推动太空探索航天器飞行驱动模式变革

热点：美国科技日报网站2022年2月23日报道，人类可借助激光帆技术驱动航天器，将航天器加速至接近光速的速度，满足人类探索浩瀚太空的需求，可为未来快速太空探索和星际飞行铺平道路。激光帆是利用激光的光压进行宇宙航行的一种航天器，是基于太阳帆飞船的一个升级概念。激光帆使用比太阳光效率更高的激光。现阶段科技研究表明，激光帆技术是人类星际旅行最可行的技术。

一、需求分析

1.目前的手段耗费时间太长，难满足浩瀚太空探索需求

美国极其依赖太空系统，太空活动的可持续性是美国的关键战略利益。塑造国际环境并实现对月球的开发与登陆火星将大大增强美国在太空领域的国家安全、商业和外交利益。为确保美国在太空中的利益，美国十分重视太空探索工作，将美国的存在从近地轨道扩展到月球，并拓展到火星和更远的星球。美国国家太空委员会2020年7月23日发布报告《深空探索和开发的新时代》，该报告提出了美国未来太空探索和开发愿景。

在浩瀚的太空中，其它星球距地球十分遥远，太空探索无疑是令人痛苦的缓慢过程。“新视野”号探测器花了近10年时间才到达冥王星。前往半人马座（ProximaCentauri，距地球约4.37光年）星系，即离地球最近的宜居行星，即使使用最大型的火箭也需要数千年的时间。这些常用的以火箭推动的航天器手段探索太空耗费时间太长，难以满足人类探索外太空需求。

2.新型激光帆技术有望满足探索外太空需求

为满足探索外太空需求，研究人员提出了核聚变发动机、物质-反物质推进器，甚至是利用黑洞原理打造的未来发动机等，这些方式都需要携带着巨大的燃料贮备，而且航天器还需要更多的能量来加速和减速。不仅效率低下，还难以满足距离更远的外太空探索需求。新型激光帆技术是利用激光束发射和操纵装有硅或氮化硼激光帆的微型探测器，可调整探测器的飞行轨道，或将航天器推到接近光速的速度，执行太空探索或星际飞行任务。这些由由激光驱动的激光帆技术有望满足探索外太空需求，可为未来快速太空探索和星际飞行奠定技术基础。

二、技术基础

1.激光帆概述

（1）激光帆概念

激光帆技术是从地球上发射的激光束照射至可操控的安装有硅或氮化硼“帆”上，光子对“帆”产生反作用力推动激光帆进而推动航天器加速，可调整航天器的飞行轨道，或将航天器推到接近光速的速度，执行太空探索或星际飞行任务。

1984年，美国休斯飞机公司研究实验室的物理学家罗伯特·福沃德在其标志性的论文中，提出了采取古老风帆技术进行星际旅行的理念。受该概念启发，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室科学家罗伯特·弗里斯和他的研究小组发明了激光帆理论。弗里斯比认为，大海中的风能推动帆船航行，同样一道强大的激光束也能推动太空中的“帆船”航行。激光的光束射到激光帆上后便转化成动力并推动航天器前进。科学家设想用激光器为航天器提供动力，让其逐渐提速，并奔向遥远的世界，这就是激光帆概念。

（2）基本原理

激光帆工作原理与太阳帆类似，同太阳光相比，聚焦的激光束能够使航天器获得更快的速度，将航天器推至阿尔法人马座恒星系甚至更远。激光帆是航天器的推进器，由反射层和发射层构成，如图1所示。激光是由有动量的光子构成，当激光照射到激光帆的反射层时，激光帆将照射过来的光子反射回去，由于力的相互作用，反射层将大多数光子垂直于帆面“反弹”回去的同时，光子也会对太阳帆产生反作用力，这种反作用力推动激光帆进而推动航天器前进。极少数没有被“反弹”的光子被吸收，以热能的形式通过发射层发射出去，对航天器的速度产生负面影响。激光帆依赖光子作为动力来源，当没有光子撞击激光帆时，航天器仍将在太空中飞行，但没有加速度。如果有持续不断的光子施加到激光帆上，推动航天器不断加速，使激光帆驱动的航天器能够获得比传统的火箭燃料驱动航天器快得多的飞行速度，可大幅缩短星际旅行时间。

采用激光帆技术的航天器只需由运载火箭发射升空，在进入预定轨道并展开激光帆后，便可在不使用化学燃料的情况下通过改变激光帆的朝向来实现加减速和转向。航天器无需携带传统推进方式必须携带的燃料。理论上，此类航天器在经过足够长的加速时间后，可实现超过当前化学燃料推进器所产生的最大速度，可将航天器持续加速达到接近光速的速度。这种不携带燃料的激光帆推进方式将开辟全新的太空探索方式。

激光帆的构成及工作原理图

激光帆驱动的航天器渲染图

2.国外主要研究情况

1984年，美国休斯飞机公司罗伯特•福沃德提出了采取古老风帆技术进行星际旅行的理念。此后，科学家们提出了“太阳帆”概念并研制出简单的“太阳帆”航天器。

2016年，英国物理学家斯蒂芬•霍金与尤里·米尔纳共同开启了名为“突破摄星”（Breakthrough Starshot）的太阳系外飞行技术开发和实践计划，启动资金1亿美元，最终任务成本为50至100亿美元，开发名为StarChip的激光帆航天器概念验证舰队，以光速的15%至20%速度飞往4.37光年外的半人马座阿尔法星系。第一枚航天器将在2036年左右发射。

2017年1月，美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室“先锋推进概念”研究项目负责人罗伯特·弗里斯详述了未来让人类能在“有生之年”进行“星际之旅”的可行性。该激光帆设想一个巨大的铝箔激光帆，驾驶员座舱位于激光帆中间，在地球轨道或月球表面上建成一个强大的激光源，经过数年的激光驱动使激光帆航天器达到最高飞行速度。

2018年3月，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校研究团队于开发出用于推进和小行星偏转的激光阵列(DE-STAR)。DE-STAR将有几种尺寸，其中DE-STAR-4边长10千米。全尺寸DE-STAR4 (100吉瓦)将推动一个带有1米激光帆大小的航天器在10分钟内飞行速度达到26%的光速，可在30分钟内到达火星。该团队目前已经研制出硬件组件，并进行了各种实验。

2019年3月，哥伦比亚大学的天文学家David Kipping提出采用激光帆设计的航天器在理论上可借助双“黑洞”系统来实现接近光速的飞行速度。通过将光子朝黑洞附近的预定轨道发射，使光子在借“黑洞”引力场绕轨道加速“一周”后再打到航天器的“激光帆”上，由此让航天器获得比激光发射器功率大得多的光子加速效果，实现高效率大幅加减速。

2019年12月，纽约罗切斯特理工学院光学Grover Swartzlander研制出一个由两个衍射光栅并排放置的激光帆。每个光栅均由排列整齐的液晶构成，液晶可使光线以一定的角度偏转，产生的推力使帆向后方和侧方运动。该激光帆左侧的光栅可将光束偏转到激光束的右侧，反之亦然。如果激光帆的位置发生移动，激光束落在帆的两侧后就会将帆推回原来的位置，使激光重新落在帆的中心。通过实验测试，找到了足够的位置和避免干扰的方法，成功地探测到激光帆产生了令其重新回到激光中心的推力，将它推回到与激光束对齐的位置。这项研究成果对激光束始终保持稳定照射在激光帆上十分重要。

2022年2月，美国加州大学洛杉矶分校达沃研究组报道了其最新研究成果。从地球上发射低功率激光束可驱动和操纵装激光帆的微型航天器，将其推进到比火箭发动机快得多的速度，可用于改变航天器的轨道或将其快速推进到太空中更远的地方。航天器上安装有硅或氮化硼帆构成的激光帆捕捉激光束获取能量，可调整航天器的轨道，或将航天器推到接近光速的速度，执行太空探索或星际飞行任务。激光帆的最佳材料是纳米级结构的氮化硅和氮化硼，可实现高反射率和快速冷却。这些由激光帆驱动的航天器可为快速太空探索和未来的星际飞行铺平道路。

三、几点认识

1. 引起航天器飞行驱动模式变革

如果人类掌握了激光帆技术，那么人类探索太空将不用再担心远距离飞行的燃料问题。此外，通过巧妙的设计，当航天器接近目的地时，可通过激光发射控或控制带有旅行舱的“帆”的中间部分与“帆”脱离，失去中间部分的“帆”将激光束聚焦在旅行舱上，帮助它减速。根据弗里斯比的研究，激光帆航天器在不到10年的飞行时间内，其速度就可达到光速的一半。如果采用直径为200英里的激光帆，人类可在12年半的时间内抵达阿尔法人马座恒星系；采用600英里的激光帆，与巨蝎座55星中类似地球的行星相会也只需86年。可有望实现人类在“有生之年”探索太空行星的问题。激光帆技术无疑将引起飞行器驱动模式的革命性变革。

2.技术难度大，耗资巨大，短期内难以实现

如果使用激光帆技术帮助人类飞向巨蝎座55星，那么激光器的输出功率将是惊人的。根据弗里斯比的估算，推动航天器所需的激光器连续稳定能量输出应达17000万亿瓦特。要实现如此巨大的能量输出，技术难度和花费无疑是巨大的，在短期内恐难以实现。如果激光器阵列放置在地球表面，激光易受大气影响，地面向激光帆发射稳定激光也存在较大技术难度。此外，如此以光年计的遥远距离，对航天器激光帆的稳定跟踪、瞄准也将是一个巨大的技术难题。

3.激光帆技术促进激光及相关产业发展

利用激光帆技术推进航天器将促进激光及相关产业发展，形成规模非常庞大的产业群。

首先是推动激光技术的发展。根据星际探索需求，激光帆需要连续工作数十年，对激光器的可靠性提出了很高的要求，将推动工业光纤激光器和放大器行业的发展，有望设计出效率更高、高可靠性和成本更低的激光器和放大器。为了克服大气对激光的影响，利用置于地球同步轨道的太空太阳能电站将太阳能转化为激光，再将激光发射到激光帆，涉及太阳能-激光模块高光束质量、小型化、轻量化、散热等一系列技术，这些问题的有效解决将推动激光技术的发展。

其次，激光束的稳定跟踪技术。在以光年为距离单位的浩瀚太空中，激光束始终保持跟踪和瞄准激光帆，技术难度可想而知。该问题的有效解决将大幅推动光学稳定系统技术的发展。

此外，也将促进材料相关技术发展。在恶劣的外太空环境中，对激光帆材料提出了严苛的要求，反射层、发射层不仅要满足光子推动效应的要求，还要经受各种太空辐射的侵蚀。该技术也必将推动材料技术的发展。