激光航天器

当今的航天器都需要随身携带能量。如果不再携带燃料和大型的元件，只通过高强度的激光或微波把能量传递给航天器的话，太空旅行的成本就会大幅降低。在过去几年里，由美国航空航天局和美国空军联合发起的实验正在验证一种航天器，我称它为激光航天器。它可以沿着一条从地面发射的脉冲红外激光束飞行。航天器上的反射面可以把光束变成一个光环，以此把空气加热，使空气温度差不多能达到太阳表面温度的5倍，从而使空气膨胀爆炸，产生推动力。

通过使用军用的脉冲每秒28次的10千瓦二氧化碳激光，我和美国空军研究实验室富兰克林・B.米德成功地在大约3秒时间内把直径10厘米一15厘米的自旋稳定卫星航天器发送到了30米的高度。我们正努力使激光的能量增加到100千瓦，那样就可以使航天器达到30千米的高度。尽管现在我们使用的模型不到50克，我们计划用5年的时间用一种定制的100万瓦特的基地激光把一个1千克重的微型人造卫星送入地球轨道，这个过程只花费几百美元的电力。

如今的激光航天器是由普通的航天器使用的铝造成，它的前部是一个飞行壳，或者覆盖着一种环形罩，航天器尾部由光学的扩张喷嘴组成。在大气层飞行期间，航天器前半部分压缩空气并将它们送人到发动机进气道。环形罩承受了推进力的正面压力。航天器尾部可作为一个抛物面镜，把红外线光束转变成为一种环形聚焦光，航天器尾部的另一面用于承受热空气所产生的压力。该设计还有一种自动调节的功能：如果航天器偏离了光束，推进力就会倾斜并把航天器退回到原来的位置。

重达1千克的激光航天器通过这种加速方式，速度可以达到6120千米／小时，飞行高度可达到30千米，之后随着空气变得稀薄，它就会转化到用板载液氢作为推进剂。1千克的液氢就足以使航天器进入轨道。一个直径1.4米的激光航天器可以使用100兆瓦的激光束把重量达100千克的微型人造卫星送入轨道。因为我们使用的是脉冲光束，只要把一组激光发射器发射的光束结合就能轻易完成。具有不同几何形状的激光航天器可以向着能量源移动而不是远离它或者从侧面飞过。

激光航天器也可以由微波提供能量。但是微波不能达到像激光那样高的能量密度，因此使用微波的航天器在体积上要更大一些。但是微波能量源相当便宜而且也比较容易扩展到很大的能量。航天器上的镜子可以把摄取到的光束能量集中到航天器上方一个直径有航天器那样大的点。这种高密度的能量形成“空气破坏”，使得迎面来的空气转向，从而减少阻力，并降低航天器的表面温度。这种航天器能够利用一些额外的光束能量，能够在航天器边缘制造强大的电场来电离空气。它还使用超导磁铁来创造强大的区域磁场。当离子通过此配置中的电场和磁场在空中运动，磁力量开始发挥作用，加速了气流创造推力。通过改变能源的大小，激光航天器可以控制周围的气流。当被电离的空气穿过形成的电磁场时，磁力量开始发挥作用，通过给气流加速来产生推动力。通过改变产生的这种能量的数量，激光航天器可以控制航天器周围的气流。

1995年4月，我在伦斯勒理工学院进行了一项实验，用一个超音速冲击波风洞证明了空气被破坏后引起的阻力减小。虽然我只是采用一个电热等离子火炬而不是激光能来做这个实验。如果激光航天器能够由轨道太阳能电站驱动的话，它将会引发太空运输的革命。但是组装这种基础设施的成本最终必须要降低到每千克几百美元。而如今通过航天器把有效载荷送入轨道的成本大约是每千克2万美元，这种成本比采用激光航天器的100倍还多。我认为我们可以通过建造第一个专门实现低廉的太空探索的旋转型能量站来弥补这种差距。设想一个直径有1千米的像巨大的自行车轮的能量站绕行在500千米的高度。它的重量大约有1010万吨，并且能慢慢旋转从而使其具有陀螺稳定性。除了有像辐条一样的构造，这个轮子还有一个由55个扇形的0.32毫米厚的碳化硅组成的磁盘。碳化硅一面会覆盖光电转化率是30％的、能够提供320兆瓦电力的薄膜太阳能光伏电池。另一面则会是微型固态发射机，每个发射机长约8.5毫米而且能够提供1.5瓦的微波能量。如今使用的重型起重化学火箭可以把这种完整的装置发射55次，耗费55亿美元，这是可以接受的。

能量站可以配备一个由两个超导电缆组成的能量储存装置，每个超导电缆有100吨，可以由反向的电流供电。在绕地球的两次轨道运行中，能量站将完全负责提供1800兆焦耳的能量。它能够把4.3万千瓦的微波能量聚光到大约1170千米内的激光发射器上，把小额电流从一个光缆传到另一个光缆产生的扭动力会扩大能量站的指向范围，但是这可以由激光发射器上安装的灯塔来有效控制。它可以发射一种信号，能够协调能量站上的每个单独的发射器制造一个照在发射地点上的直径10米的圆点。航天器可以在不到5分钟的时间内到达轨道，使得航天器上的乘客只遭受不超过3个重力加速度，感受就如同航天器上的宇航员。太阳能电站也可以在54秒内全部释放其能量，那样可以提供差不多相当于垂直方向上的20千兆的推动力，可以使航天器飞向静止轨道或者获得逃逸速度。第一个轨道太阳能站的建成能够开启一个轨道空间站工业，并且由专门的激光发射器发射和组装。在几十年内，一队这样的能量站可以使得绕地球、月球或者其他星球的太空旅行变得快速低廉。