互动科普

今天的宇宙飞船自身都要携带动力源，如果去掉燃料及相关笨重部件，并将高强度激光或微波能源聚集到飞船上，那么太空旅行的费用就能急剧下降。过去10年航空航天局和美国空军主持的实验已经证实了我称为光飞船的装置，该飞船靠地面脉冲红外激光束飞行，飞船上的反射面将激光束聚焦成一个环上，在那里将空气加热到几乎比太阳表面还热4倍的温度，导致空气爆炸性膨胀以产生推力。

我和美国空军研究实验室的Franklin B Mead利用每秒产生28次脉冲的军用10千瓦二氧化碳激光器，大约在3秒钟内成功地将直径10-l5厘米微型自旋稳定光飞船最高推进到30米高处。我们拥有资金将激光功率扩大到100千瓦，从而使飞行达到30千米高度。

虽然夸天的模型重量不足50克，但我们的5年目标是利用1兆瓦特制的地基激光器——仅耗用几百美元的电——将把一千克的微卫星加速到低地轨道上。

现在的飞船演示装置是由普通飞机级铝制成的，由前气壳(或盖)，环形罩和尾部(包括镜片和膨胀管)组成。在大气层中飞行时，前端部分压缩空气并将其引入发动机进口环形罩，承受推进冲击压力。尾部作为抛物形接收镜面，将红外激光聚集到环形焦点上，同时提供另一个表面以接受热空气排出时所产生的压力。该设计提供了自动转向功能：如果光飞船开始偏到光束之外，推力就会倾斜从而将装置拉回来。

1千克重的光飞船能够以这种方式加速到5马赫左右并达到30米高处，然后当空气稀薄时转换到飞船上的液氢推进剂系统。l千克氢就足以将飞船送入轨道。

直径1.4米型装置利用100兆瓦激光束应能将重达l00千克的微卫星送入轨道。我们使用的光束是脉冲式的，因而综合一组激光器的输出，就能十分轻松地达到这一功率。这种激光器能发射通讯卫星并在其电子设施不能使用时将其弄离轨道。

采用不同几何形状的光飞船，可以使飞船向着它们的能量源飞行，而不是远离它——甚至可以侧向飞行。这些各型装置具有经济地环行星运送货物的潜力。光飞船还可以用微波作为动力，微波不能达到激光那样的功率强度，困此装置必须做得更大些，但微波源相当便宜，并且易于接比例增大到极高的功率。

我还设计了按另一种不同的原理运行的能够载人的更先进的波束能源飞船。该船能够更有效的产生推力，因而更适合于运送更大型的货物。

飞船上的反射镜将入射波束的部分能量聚集于飞船前方约一个飞船直径的地方。高强度的热产生一种“气锥”，使迎面而来的空气转向，避过飞船，从而减少阻力并降低飞船热度。

这种飞船利用某些额外的波束能量产生环绕船体的强电场，从而使空气发生电离。它同时还利用超导磁体在该区域产生强磁场，当电离空气穿过这种形态的电场和磁场时，磁流体动力就发挥作用，从而加速滑流产生推力。

改变光飞船向前反射的能量大小，就能控制环绕装置的气流。1995年4月我在伦塞勒理工学院的高超音速激波风洞上揭示了通过气锥减步阻力的情形，虽然使用的是电加热等离子枪而非激光动力。旨在利用l5厘米直径装置产生磁流体动力推进的试验刚刚开始，由微波或l兆瓦脉冲激光驱动的这种类型的人体大小的光飞船能够在高达50米的高度运行并容易加速到轨道速度。

光飞船如果能用轨道太阳电站来驱动，就会使运输发生革命性变化。但是，轨道基础设施的装配成本最终必须降到每千克几百美元以下。现在利用航天飞机运送负载入轨的成本是每千克2万美元，大约比其100倍还多。

我认为能够建造专为使进入太空变得便宜的第一座轨道太阳电站来缩小上述差距。想象一下建得象一个巨大的自行车轮子那样的直径为l千米的结构及其在500千米高度作轨道运行的情景吧！它的质量会达1010公吨左右，它将缓慢旋转获得陀螺稳定性，除了结构“轮辐”外，该轮子还有一个由55块0.32毫米厚的馅饼片状碳化硅大块组成的圆盘完全覆盖。碳化硅一面的将是效率为30%的薄膜太阳光生伏打电池，它能提供300兆瓦电(这样的装置有望在10年内出现)。碳化硅的另一面将有133亿个微型固态发射器，每个大小只有8.3毫米，发出1.5瓦微波能量。

今天的重型化学火箭也许能以可承受的5亿美元费用通过大约55次发射将上述整个结构发射上天。太阳电站将由两根超导线组成的能量贮存装置环绕着，每根导线质量为100公吨，电流在两根导线中向相反方向流动。(这种结构能够消除单根导线会产生的巨大磁矩。)

在环绕地球运行两次的时间内。电站使这种系统充满1800千兆焦耳能量然后它们向距离为1170千米的光飞船发射4.3千兆瓦的微波能量，把少量电流从一根导线转向另一根导线所产生的扭矩力会大致调整电站的指向，不过精确的控制来自于光飞船上的信标，它将发出信号协调电站上的各个发射器，在发射场产生一个直径为10米的点飞船将在5分钟之内到达轨道，使人承受不高于3g的加速度，大约与航天飞机宇航员经历的一样。或者太阳电站也可以在54秒内一下子发出所有能量，提供20g的垂直上升加速度把飞船送入同步轨道，甚或达至逃逸速度。

第一个轨道太阳电站将为用专门光飞船发射和装配的轨道站产业铺平道路。数十年内这些飞船将提供灵活快速费用低廉环绕地球的旅行，到达月球上及更远的地方。